巴西卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯電站樞紐的開發(fā)

［巴西］ F.P.阿吉拉爾 等

巴拉杜斯科凱魯斯(Barra dos Coqueiros)和卡蘇(Ca?u)電站位于巴西戈亞斯(Goiás)州的卡舒埃拉(Cachoeira Alta)和卡蘇市境內(nèi)，距巴西利亞約520 km。樞紐由Gerdau Acos Longos AS公司開發(fā)。巴拉杜斯科凱魯斯電站于2010年6月投運，1個月后，卡蘇電站也投入運行。這兩座電站共同組成了克拉魯(Claro)河上的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯樞紐。

克拉魯河流域匯集了來自卡亞波(Caiapó)山脈的水，其中也包括來自巴拉那伊巴(Paranaíba)河和巴拉那(Paraná)河流域的水。工程所在區(qū)域地勢起伏，絕大部分為高地，海拔650～1000 m，河流在沖刷過程中也造成了一些地勢較低區(qū)域，這些區(qū)域的海拔在350～650 m之間。

1 工程研究

對該流域開展的初步研究工作始于1991年，完成于1995年。當(dāng)時，戈亞斯州確定了一些可以開發(fā)、且裝機(jī)容量為100 MW左右的電站工程，并初步確定了這些工程主要建筑物的基本技術(shù)參數(shù)。

20世紀(jì)90年代末，經(jīng)研究，曾擬定了一份韋爾迪(Verde)河和克拉魯河流域內(nèi)可以實施開發(fā)和建壩的壩址清單。這項研究結(jié)果表明，兩個流域具有豐富的水力蘊(yùn)藏量，如果對其實施開發(fā)，可修建12座電能成本-效益指數(shù)誘人且環(huán)境影響極小的水電站。

2000～2001年，Engevix工程公司對這些擬建電站的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可行性開展了研究，研究結(jié)果促成了現(xiàn)在的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯綜合樞紐工程。在開展這項研究的過程中，還確定了這兩座電站的主要參數(shù)、壩址和壩軸線。而且，當(dāng)時所進(jìn)行的工程和環(huán)境可行性研究結(jié)果，也證實了工程將產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益以及非常有限的環(huán)境影響。

2006～2007年，Engevix公司開展了與該樞紐基本設(shè)計有關(guān)的研究工作。在這一階段，新的研究工作內(nèi)容包括可行性研究基礎(chǔ)上的有效信息分析、地形測量、對壩址處開展補(bǔ)充性地質(zhì)-巖土勘測工作等。在該階段的研究工作中獲得的新信息，更新了早期的地質(zhì)和水文研究數(shù)據(jù)資料。

在該階段，還進(jìn)行了能量特性的聯(lián)合評估，以便確定各電站擬裝機(jī)組的理想數(shù)量。評估結(jié)果表明，巴拉杜斯科凱魯斯電站適合布置2臺45 MW的機(jī)組(優(yōu)于安裝3臺30 MW機(jī)組的方案)。對于卡蘇電站來說，安裝2臺32.5 MW的機(jī)組要優(yōu)于安裝3臺21.67 MW的機(jī)組方案。同時，還證實了機(jī)組的安裝數(shù)量不會影響系統(tǒng)運行的可靠性，這就進(jìn)一步確定了樞紐的保證出力。

2 壩址及其地質(zhì)特性

工程壩址所在地區(qū)的地質(zhì)為含有S?o bento界白堊紀(jì)-侏羅紀(jì)的Serra Geral巖層的玄武巖，且嵌入巴拉那河流域。巖石層的特點是出現(xiàn)連續(xù)的、近乎水平的玄武巖層，帶有相互陷套的裂口，并夾有充滿了方解石、非晶質(zhì)的石英石以及玉髓的氣孔-杏仁狀的玄武巖。

確定有幾條寬度為幾毫米的傾斜裂縫和近乎豎直的裂縫，它們與近乎是水平狀的不連續(xù)的巖層相連。這些裂縫充滿著碳酸鹽和石英，其余裂縫的表面上有氧化層和/或縫內(nèi)充填有富含鐵的高嶺土，厚度為幾厘米。玄武巖層又分為致密玄武巖、氣孔-杏仁狀玄武巖和玄武巖質(zhì)裂口。

在開挖巖石時，需要對巖層的地質(zhì)形狀、劇烈破裂、與礦物變化有關(guān)的復(fù)雜不連續(xù)系統(tǒng)、各種地質(zhì)力學(xué)特性的玄武巖和壩基上近乎水平狀的節(jié)理斷層進(jìn)行不同方式的處理。與巴拉杜斯科凱魯斯電站壩址處的巖石層的地質(zhì)力學(xué)特性相比，卡蘇電站壩址巖石層的地質(zhì)力學(xué)特性更為不利，因為它更靠近巖層邊沿。

整個深度范圍內(nèi)的所有土壤剖面，被確定為具有玄武巖質(zhì)富含鐵的高嶺土殘積土壤，且疊加了厚度約為2 m的微紅富鐵高嶺土崩積層，包括玄武巖塊和紅土化的碎片。沖積層的沉積物為帶有幾層灰色的淤泥-粘土質(zhì)的物質(zhì)。

由于地質(zhì)力學(xué)抗力小，且易于風(fēng)化，不可能使用玄武巖層作為骨料和/或堆石保護(hù)，因此，必須將這些物質(zhì)從混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上移走。

3 電站的主要特性

3.1 卡蘇電站

該電站裝機(jī)容量為65 MW，毛水頭為28.2 m，大壩高40 m，長625 m，左岸壩段為混合剖面。右岸壩段長243 m，布置有RCC壩、溢洪道、進(jìn)水口，截流系統(tǒng)采用長170 m的均質(zhì)壩封堵。

卡蘇電站水庫正常最高水位為477 m。水庫水面面積 16.68 km2，庫容 2.2745億m3。

溢洪道具有克里杰(Creager)流體動力水流曲線，溢流堰頂高程為 464.55 m。溢洪道由3孔組成，每孔高 12.45 m，寬 9.2 m，由弧形泄洪閘門控制?？卓诔叽绨葱购榱髁?521 m3確定，確保水位不超過設(shè)定的水庫水位。

曾經(jīng)將施工期間的導(dǎo)流建筑物設(shè)想為一條隧洞。然而，在對建筑物的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，采用了另一比選方案，即在位于溢洪道旁的重力壩上，設(shè)計了4條5×4 m(H×W)由閘門控制的渠道。

電站與進(jìn)水建筑物連為一體。電站廠房內(nèi)裝備了2臺轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)及混凝土蝸殼，每臺水輪機(jī)的額定功率為33.16 MW，與36.1 MVA的三相發(fā)電機(jī)連接。

3.2 巴拉杜斯科凱魯斯電站

該電站裝機(jī)容量為90 MW，位于卡蘇電站下游30 km處，毛水頭為37.4 m，壩高41 m，壩長855 m，由均質(zhì)土壩和RCC壩段組成。左岸壩段長200 m，布置的主要建筑物有溢洪道、進(jìn)水口和RCC鎖壩。

巴拉杜斯科凱魯斯電站水庫正常高水位為448 m，水庫水面的表面積為 25.55 km2，庫容為 3.478億m3。

溢洪道壩段由具有克里杰流體動力水流曲線的混凝土重力壩組成，堰頂高程為435.55 m，溢洪道由3孔組成，高 12.45 m，寬 9.2 m，各斷面由弧形泄洪閘門控制。設(shè)計泄洪流量2626 m3，不超過水庫水位。壩剖面有稍許的變化，允許組合高程較低的RCC建筑物，這樣，在泄洪閘門出現(xiàn)故障或洪峰超過預(yù)期流量時，可以增加電站的安全性。采用消力池消能，消力池接收來自挑流鼻坎的射流。

導(dǎo)流系統(tǒng)包括4條尺寸為5 m×4 m(H×W)的導(dǎo)流渠，位于3孔溢洪道中2孔的下面。

電站與進(jìn)水口各自獨立，裝備有2臺轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，每臺水輪機(jī)配有鋼蝸殼，額定功率為45.91 MW，與額定功率50 MVA的三相發(fā)電機(jī)連接。

3.3 變電站

由于兩座電站的實際位置相距較近，因此，對于與巴西國家電網(wǎng)(SIN)的電氣連接系統(tǒng)進(jìn)行了重新評估。起初的設(shè)想是使兩座電站單獨聯(lián)網(wǎng)，然而，經(jīng)認(rèn)真研究，發(fā)現(xiàn)較好的方案應(yīng)該是在兩座電站與國家電網(wǎng)互聯(lián)之前，先通過一座集合變電站將兩座電站連接在一起。而且，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來看，這種連接方法比較有利。

4 機(jī)電設(shè)備

在開展可行性研究和前期設(shè)計過程中，確定了兩座電站各自最適合的機(jī)電設(shè)備?？ㄌK電站選用立軸轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)和混凝土蝸殼;巴拉杜斯科凱魯斯電站選用相同類型的水輪機(jī)，但其蝸殼為鋼質(zhì)。

兩座電站的設(shè)備特性和電氣系統(tǒng)的設(shè)計確定為:每座電站各自安裝的2臺發(fā)電機(jī)組采用共同的母線，并連接到一條13.8 kV的母線上，該母線通過離相母線與升壓變壓器相連。該升壓變壓器將電壓升高到230 kV，并通過單回路專用輸電線，將各電站與電網(wǎng)相連。

這種母線布置方式的主要特性是，可以提高電站的短路水平，但是在機(jī)電設(shè)備的選型階段，則要求倍加謹(jǐn)慎，以確保選用的設(shè)備性能符合先前的計算水平。

13.8 kV的母線系統(tǒng)通過變壓器和安裝在發(fā)電機(jī)中性點上的電阻接地，以便在15 A相-地電流發(fā)生故障時，能夠限制短路電流。

至于機(jī)械的輔助系統(tǒng)，設(shè)計有封閉的冷卻水系統(tǒng)，以防止能與鐵發(fā)生反應(yīng)的細(xì)菌在管道和設(shè)備內(nèi)繁殖，以及用于防止熱交換器和管道在多年后出現(xiàn)堵塞。

這些措施有助于確保電站高效、安全的長時期地運行。當(dāng)然，這些也得益于對河水各項指標(biāo)進(jìn)行的分析，分析結(jié)果表明，水中有許多細(xì)菌，在與管道中的鐵接觸時，這些細(xì)菌具有很高的繁殖潛力。因此，采用封閉式系統(tǒng)的布置方案被認(rèn)為是極其適宜且非常正確。

5 最終設(shè)計

在2008～2010年的最終設(shè)計階段，對兩座電站進(jìn)行了水工模型試驗，試驗結(jié)果顯示，需要對電站的布局做出相應(yīng)的調(diào)整。在卡蘇電站壩的下游左側(cè)，必須設(shè)置一座巖石水利丁壩，以阻止壩基以下回流的直接作用。因為這種回流可能是由溢洪道的泄流引起的。

包括兩座電站廠房在內(nèi)的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯工程的所有設(shè)計工作，同時由位于巴西利亞(土木設(shè)計)和弗洛里亞諾波利斯((Florianópolis)機(jī)電設(shè)計)的Engevix辦公室承擔(dān)。由于涉及多個學(xué)科，因此，需要在配合和接口規(guī)劃方面給予特別的關(guān)注，且各團(tuán)隊之間的合作應(yīng)相當(dāng)協(xié)調(diào)。

工程設(shè)計使用了CAD 3D技術(shù)，使工程的各個部分都能滿足可視化的要求。這樣有助于防止土木和機(jī)電結(jié)構(gòu)之間可能發(fā)生的問題，還可以對所有的獨立設(shè)計部分完成最終的集成。

除了3D計算模擬工具，在工程設(shè)計過程中，還使用了工程管理軟件以協(xié)調(diào)文件的生成、管理和共享，促進(jìn)各團(tuán)隊之間的相互合作。

在兩間設(shè)計辦公室之間，可以通過internet，借助于軟件，實現(xiàn)文件實時共享。一份特定文件一旦完成，其他相關(guān)的設(shè)計團(tuán)隊和卡蘇、巴拉杜斯科凱魯斯電站工程施工現(xiàn)場的團(tuán)隊即可以立即獲取。

該工具還為機(jī)電設(shè)備供應(yīng)商的設(shè)計與土木工程部分的整體設(shè)計之間提供了必要的協(xié)作方式。

這些措施的采用，有助于節(jié)省工程設(shè)計階段所需的時間，避免對設(shè)計的各個部分進(jìn)行反復(fù)修改，因此加快了工程進(jìn)度，減少了工程成本。

6 結(jié)語

使用有效的現(xiàn)代化計算技術(shù)，可以獲得用于各種工程技術(shù)問題的解決辦法，為同步開發(fā)卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯兩座電站創(chuàng)造了條件，而且從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度均可獲得積極的成果，且環(huán)境影響小。

在工程管理方面采用創(chuàng)新的管理方法，在工程設(shè)計方面采用先進(jìn)高效的現(xiàn)代化計算工具，可以將工程開發(fā)過程中所涉及的所有人力、財力資源在時間和空間上進(jìn)行優(yōu)化整合。