埃及新艾斯尤特坝规划建设方案

［德国］R.沃克 等

20世纪60年代，自尼罗河上的阿斯旺高坝建成后，尼罗河河势发生了较大改变，使原建的一些老建筑物下游的河床加速刷深，导致坝下水位下降，在枯水季节建筑物上下游的水位差变大。因此很有必要修建新的水利枢纽以代替原来的建筑物。在更高水头的作用下，这些建筑物的基础可能发生滑动和内部受到侵蚀，20世纪70、80年代期间，人们就已开始担心其安全度会降低。过低的下游水位会使下游护坦受到更大程度的水力冲刷，因此而担心护坦和深冲刷坑的破坏会进一步降低建筑物的稳定性。对所有3座老堰坝曾经提出过在原地修复的比选方案，但根据综合可行性研究结果，这一方案未被采纳。

1 艾斯尤特坝

1898～1902年，为了将尼罗河水引至易卜拉欣米亚(Ibrahimia)运河，修建了艾斯尤特坝及其配套的渠首控制建筑物。该坝是在尼罗河主河道上修建的首座大坝，此后才修建了老阿斯旺坝和开罗坝;1907年修建了伊斯纳(Esna)坝，1930年修建了纳加哈马迪(Naga Hammadi)坝。这些坝不仅在过去几十年中从未间断地将尼罗河水引入农田灌溉渠系，还形成了开罗至阿斯旺间的巨大通航水道。

艾斯尤特坝实际上是一座大型水闸，共有111个拱形闸孔，每孔宽5 m，闸墩置于混凝土底板上。闸门为吊装式双叶滑动闸门，由闸门的启闭来控制水流下泄。左岸布置有一座宽16 m的船闸，坝肩之间的坝总长820 m。临近的易卜拉欣米亚渠首控制建筑物与艾斯尤特闸类似，只是规模小些，只有9孔闸和一座宽9 m的通航船闸。

2 新艾斯尤特坝规划

新坝的规划工作从1980年开始，包括修建1994年完工的新伊斯纳坝及其电站，2008年完工的新纳加哈马迪坝及其电站。

德国复兴信贷银行(KfW)致力于全球新能源工程的开发，艾斯尤特坝的大部分前期规划和可行性研究工作得到了该银行的资助。在2007年，埃及政府对KfW银行提供了贷款担保，用于在老艾斯尤特坝下游修建新坝及水电站，电站计划装机32 MW。

2000～2005年，埃及水利和灌溉部水库和大坝司聘请国内和国际咨询公司，按照KfW标准对该工程进行了可行性研究。研究结论认为，老坝坝址修复在技术上是可行的。同时，对修建于原坝下游、包含电站的新坝的5种布置方案也展开了研究，结论是这5种方案在技术上也是可行的。

各方案造价相互接近，原坝修复方案只比新修坝方案造价便宜8%。若赞成新修坝方案，则应根据水工物理模型试验结果做出有关优先选用布置方案的最终决策。

2008年初，水利和灌溉部水库和大坝司与艾斯尤特工程开发咨询公司(ABCD)签订了咨询合同，

合同规定由该公司负责新坝工程的招标设计、招投标文件的草拟、社会和环境影响的控制及工程建设监理。艾斯尤特公司是由3家单位共同注资组建的合资公司，分别是德国拉美尔(Lahmeyer)国际咨询公司和RMD咨询公司，以及法国的阿尔特利亚(Artelia)公司。工程已于2012年5月开工，计划工期5 a。

3 水工物理模型试验研究

2008～2009年，在开罗埃及水利科学研究所(HRI)试验室内，对新坝的几种布置方案开展物理模型试验。按1∶45的比尺建造了一个尼罗河定床模型，模型材质为混凝土;模拟河段长5 km，其中现有艾斯尤特坝上游河段长1 km，下游河段长4 km。模型河床依据HRI在2009年9月测量的水下河床地形资料复制，模型率定采用HRI在3种情况下的实测流速数据:2006年8月的大流量、2007年1月的小流量以及2007年4月和2009年9月的平均流量工况。

新坝选址受到某些条件的限制。已确认的几处可能的坝址，均位于建坝的上游或下游较近处。但是，老坝上游方向城区以外的一座坝，则需延长易卜拉欣米亚灌溉水渠并改线，且要重新修建渠首建筑物;而下游方向城区以外的一座坝则会导致水库向下游延伸，并抬高人口密集区的水位，可能会使建筑物下沉及地下室和地下设施被淹。最终，选择的新坝址在老坝下游约400 m处，在河道中抽干的开挖基坑上修建主要建筑物。将新坝址选在如此靠近原坝下游的位置，主要基于以下考虑。

(1)在新坝基础开挖期间，使原坝失事风险降到最小。

(2)减少可能流入施工基坑中的进水量。最终选定的新坝位置和布置方案可降低围堰、防渗墙、基坑开挖以及排水的成本。

另外还要求在施工期，应保证尼罗河上行和下行通航不中断;尽量减少跨河交通中断的时段。

模型试验中，水流情况按2个阶段加以评估:①河道水流绕过施工基坑的导流期;②大坝完全建成后的运行期。

依据模型试验结果，考虑到规划及成本，选择的新艾斯尤特坝建筑物包括:1座有2个闸室的通航船闸，闸室宽为17 m，有效长为156 m;1座安装4台灯泡机组的发电厂房，每台额定容量为8 MW;在发电厂房一侧设置2座泄水闸，其中1座有5扇弧形闸门，另1座有3扇弧形闸门，闸门宽为17 m;1段封堵导流河道的合龙坝，其主要防渗结构为塑性混凝土防渗墙;1条有4车道的跨河交通道路。

坝的首要任务是雍高库水位，以保证易卜拉欣米亚水渠在灌溉需水高峰季节的引水流量达到440 m3/s，其次是提供一定的库容满足防洪和灌溉需要。虽然水力发电具有较高的经济和环境效益，但只被看作是大坝的次要任务。按照大坝运行调度计划，发电厂年均发电量为230 GW·h，相比于效率低下的老火力发电厂，可减排二氧化碳12.5万t。

在洪峰来临时，泄水闸最大下泄流量可达7 000 m3/s，在该流量下库水位不超过历史最高水位52.8 m。在正常运行期间，泄水闸要泄放一定的流量(超过电站泄流能力的部分)供下游灌溉。在下游灌溉用水高峰期间，除利用电站下泄流量外，其余部分均通过泄水闸下泄，此时仅通过泄水闸的灌溉用水流量就达1 000 m3/s。

相比原坝较宽的泄水闸(110孔，每孔宽5 m，共550 m)，新泄水闸将流量集中在一个很窄(8孔，每孔宽17 m，共136 m)且更深的过流断面上，为了防止泄水闸对下游产生冲刷，对紧靠泄水闸门下游的消力池布置方案做了仔细研究。最终采用的是在泄水闸底槛后设一斜坡连接消力池，在消力池末端设一台阶与其后的长混凝土底板连接(图1、2)。在一个长试验水槽中，按1∶21的模型比尺对上述布置进行了验证，目的是将混凝土板末端处底流速和大体积紊动尽可能降到最小值。

图1 泄水闸剖面示意

图2 消力池末端陡坎、混凝土护坦示意

水闸上下游的水位特点，决定了消力池运行的水力学条件为低弗氏数和淹没水跃。

相比高弗氏数时的自由水跃，少有文献研究低弗氏数情况下淹没水跃的水力学特性。从仅有的研究文献可以得到以下结论:①淹没水跃长度比自由水跃长很多;②淹没水跃前半段底流速很快，但到下半段后迅速并显著减小;③在低弗氏数情况下，淹没水跃的消能效果比自由水跃更好;④在低弗氏数情况下(＜10)，当淹没系数 s在0.4～0.5范围时，消能效果最好，其中s=(twl－yc)/yc，式中，twl为下游水深，yc为水跃的共轭水深。

为设计出较经济的消力池，对几个备选方案在水槽中进行了比尺为1∶21的对比试验，最终采用的消力池布置尺寸见表1。试验中对一些细节也进行了研究，比如消力墩和末端陡坎的形式(圆弧形边缘、直角边缘、外凸型等)，具体结果见表2。

表1 消力池尺寸

表2 消力墩和末端陡坎布置

4 数学模型研究

在做物理模型试验的同时，还进行了数值模拟研究，主要研究船闸充泄水系统、电厂泄流量突然变化导致的水面上升和下降涌浪，以及导流布置。此外，还对河床施工基坑中需抽排的水量进行了估计，该基坑面积达180 000 m2，外围是高7 m的环形围堰。围堰中的隔水层是深40 m的黏土连续墙，它穿过的河床地层包含粉砂层、砂砾石以及淤泥土夹层。

基坑排水前，对下部地层的渗透性开展了研究，并由此估计出基坑抽水量，各种估算结果如下:

老坝下部沙地层测得的平均渗透系数为9.15×10－6m/s(2000年);通过离岸钻孔试验测得的平均渗透系数为1.45 ×10－4m/s(2002、2004 年);计算中采用的水平渗透系数取 2.5×10－5m/s(2002年);计算中采用的竖向渗透系数取7.14×10－6m/s(2002年);计算中采用的平均渗透系数为1.5×10－4m/s(2005年)。

以往的研究公认渗透系数的各向异性，但没有提供如何对其评估的任何资料。在目前的规划阶段，是用二维和三维数学模型估算基坑排水所需要的抽水速率。结果表明，抽水量范围为124 000～408 000 m3/d，与渗透系数的假设有很大关系。由于在基坑防渗墙底部存在一个水平向的砾石含水层，所以应将要求的抽送率扩大到1.5倍。

5 社会和环境规划

新坝将修建在邻近艾斯尤特市的尼罗河上，该市人口约80万。为此，KfW要求必须严格按照国际大坝委员会的指南进行社会与环境影响评估，包括已确认的主要负面影响:施工期间临时土地占用、原坝过桥交通中断1 a，施工噪音、灰尘和交通量的增加。工程永久占地很少，只有1.4 hm2，临时占地较多，达35 hm2，主要是农耕地和园艺用地，已确认了这些土地的7位拥有者和77位土地使用者。依据当地法规和土地出租收益，对7位土地拥有者进行补偿，而对另外77位土地使用者，则按照土地收益评估结果对其进行补偿。

6 合同安排

为了顺利推进艾斯尤特坝工程，业主方指定了专门的咨询公司，对保证工程顺利实施的各种可能的合同安排方式进行研究，为此还召开了“合同专题研讨会”。在研讨会上，提出了2种比选方式，即整体单包和分成几项承包。

业主的主要目标是:保留充分的权力，根据质量或性能最好且报价最低的原则自行选择个别的承包商;尽量限制自已参与个别的和整体的合同计划管理，以及各合同责任区段间的协调，从而尽量减少由于个别承包商不遵守合同而造成不良效果、致使增加造价和耽误工期的负面影响。

考虑到现在国际水电设备市场已相当健全以及水电设备供应厂商不愿与土建施工方组成合资公司，因此在招标过程中，几乎没有考虑邀请由水电设备供应商和土建施工方预先组成的合资公司参与投标过程。

艾斯尤特工程的几个分包合同为:①标1为土建工程;②标2为泄水道和船闸的水力机械设备，以及电站厂房闸门和叠梁门;③标3为灯泡式水轮机、发电机及电站的水力机械设备;④标4为电站和开关站的电器设备。

针对分为几个合同承包的招标方式，也产生过争论。对于业主来说，分为几个合同包单独招标的方式能使价格和质量有更大的透明度，对做选择有更大的灵活性，且无需被迫接受有部分低下质量的整体招标。相反，业主可以依据某些特殊的需要和情况，编制自己的多目标计划。

承包商和设备供应商的报价不会因诸如不可预见的地层条件、设计变更或固定不变的价格要求等偶然事件的影响而上涨，因此投标价格普遍较低。

业主可对工程进行全程控制，可以依据变化情况而直接改变设计。虽然设计变更很可能会导致造价增加，但可以对设计变更的工程量和造价进行预先估算。

当然传统的招标方法也存在不足:若坝址地下情况比原先预计的差，则业主将承担由此造成的工程费用增加;若各分承包商及供货商之间未得到妥善沟通协调，则补救措施费用将由业主负担;如果各不同承包商和供货商之间的界面连接不能得到适当控制，则由业主承担增加的费用;由于承包商的数目在2家以上，因此索赔和罚款程序将相当复杂，而且很难处理。

为便于对各承包商的管理，所有的发包标段同时招标，并要求共同执行规定的施工/安装进度计划。这就要求施工和安装方必须制订详细的计划，所有参与各方都同意遵守共同的进度计划。

7 结语

新艾斯尤特坝及其水电站工程建设将持续到2017年，主要工程量包括:超过33万m3的钢筋混凝土浇筑量;超过220万m3的开挖量;超过900万m3的大坝填筑量;超过10万m2的防渗墙施工量。

参与该工程建设的所有承包方和供货商，均参与了纳加哈马迪坝的施工，并取得了成功。因此，业主期待着他们能在新艾斯尤特坝工程中同样取得成功。