蘇阿皮蒂水利樞紐布置及優(yōu)化

王美齋，陳興亮，邵 穎，羅 暢

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐位于“西非水塔”幾內(nèi)亞西部孔庫(kù)雷河中游，距下游已建成凱樂(lè)塔水電站6 km，距首都科納克里135 km，其水庫(kù)總庫(kù)容74.89億m3，總裝機(jī)容量450 MW，多年平均年發(fā)電量20.16億kW·h，為Ⅰ等大(1)型工程。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120 m，大壩按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)，5000年一遇洪水校核。正常蓄水位210 m，設(shè)計(jì)洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，校核洪水位樞紐總下泄流量4 370 m3/s，溢流壩下泄流量2 410 m3/s，泄洪底孔泄量1 956 m3/s。樞紐建筑物主要包括兩岸擋水壩段、發(fā)電引水壩段、導(dǎo)流底孔壩段、泄洪底孔壩段、溢流壩段，及位于左岸發(fā)電引水壩段的壩后發(fā)電廠房。

孔庫(kù)雷河干流總長(zhǎng)約328 km，流域總控制面積約16 800 km2，凱樂(lè)塔水電站以上平均降雨量約為2 000 mm，工程區(qū)年均氣溫26.6 ℃，極端最高溫度約44 ℃，極端最低溫度約8℃；多年平均風(fēng)速約2.4 m/s，瞬時(shí)最大風(fēng)速約28 m/s，多年平均年最大風(fēng)速21 m/s；多年平均蒸發(fā)量約1 600 mm。徑流年際變化大，特雷么累站最大年徑流量為167億m3，最小年徑流量為57.6億m3，最大年徑流為最小年徑流的2.9倍，年徑流變差系數(shù)Cv為0.26；徑流年內(nèi)分配不均勻，雨季和旱季相差懸殊，7月～11月徑流量占全年徑流總量的90%，其中8月、9月徑流量占全年徑流量的55%。流域洪水年際變化相對(duì)較小，主要發(fā)生在8月，其次為9月和7月，洪水過(guò)程為矮胖型，歷時(shí)長(zhǎng)，一次洪水歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)90 d。多年平均輸沙量100萬(wàn)m3。

壩址區(qū)河谷相對(duì)開闊，形態(tài)呈不對(duì)稱的“U”形；兩岸山體雄厚，谷坡寬緩，平均海拔250～400 m，相對(duì)高差200 m左右，自然坡度一般為15°～17°，局部達(dá)到40°，地貌上屬于低山丘陵地區(qū)。河谷底寬200～350 m，河水面寬170～310 m。地層巖性主要為第四系殘坡積物、沖洪積物、古生代輝綠巖和奧陶系(粉)砂巖。兩岸岸坡第四系殘坡積物(Qel+dl)覆蓋層最大厚度47.10 m。奧陶系(粉)砂巖主要為薄層鈣質(zhì)砂巖和極薄層泥質(zhì)粉砂巖，互層分布，并以泥質(zhì)粉砂巖為主、巖體完整性及力學(xué)性能較差，變形模量低，有連續(xù)性較好且順層分布的軟弱夾層和泥化夾層，粉砂巖發(fā)育水平泥質(zhì)條帶，泥質(zhì)含量高，遇水軟化，大壩抗滑穩(wěn)定問(wèn)題突出。河床輝綠巖裸露，頂部強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶層厚3m左右，受風(fēng)化卸荷及水的作用，發(fā)育延伸較長(zhǎng)的緩傾角及豎向裂隙，有的脫離母巖成為孤石；弱風(fēng)化卸荷帶層厚3～10m，巖體完整或較完整，裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育，裂隙多閉合或充填石英；微風(fēng)化卸荷輝綠巖巖體完整，裂隙不發(fā)育，局部較發(fā)育。

2 樞紐布置選擇

2.1 壩址選擇

蘇阿皮蒂水利樞紐可研階段在距凱樂(lè)塔水電站上游約14 km的河段內(nèi)擬定2個(gè)壩址進(jìn)行比較，1號(hào)壩址位于凱樂(lè)塔水電站上游14 km處，2號(hào)壩址位于凱樂(lè)塔水電站上游6 km處。1號(hào)壩址較2號(hào)壩址損失了10 m水頭且出線長(zhǎng)度增加了約7 km，從充分利用發(fā)電水頭、減少電站出線長(zhǎng)度、方便與凱樂(lè)塔水電站聯(lián)合運(yùn)行管理等方面綜合分析，最終選擇2號(hào)壩址即蘇阿皮蒂壩址為推薦壩址。

2.2 壩型選擇

可研階段，根據(jù)地形地質(zhì)條件擬定碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型進(jìn)行了比選，通過(guò)分析比較，面板堆石壩與重力壩方案相比，引水洞、地下廠房、導(dǎo)流洞等大量的地下洞室結(jié)構(gòu)潛在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)流費(fèi)用高，料場(chǎng)無(wú)用料剝離量大，工期長(zhǎng)，綜合效益不占優(yōu)勢(shì)，最終推薦碾壓混凝土重力壩方案。

2016年1月與幾內(nèi)亞政府簽署項(xiàng)目建設(shè)合同后，在可研階段壩址壩型確定的基礎(chǔ)上，隨著地質(zhì)勘察工作地深入，綜合地形地質(zhì)條件、建筑物的布置條件、技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性、施工方便性等因素，對(duì)碾壓混凝土重力壩方案、碾壓混凝土重力壩+兩岸粘土心墻堆石壩方案和碾壓混凝土重力壩+兩岸截滲墻方案進(jìn)行了深入比選，盡管碾壓混凝土重力壩+兩岸粘土心墻堆石壩方案相比于碾壓混凝土重力壩方案節(jié)省投資，技術(shù)安全相對(duì)可靠，但從工期、履約和變更難度等因素考慮，維持碾壓混凝土重力壩方案。

2.3 樞紐布置

可研階段碾壓混凝土重力壩方案，壩軸線長(zhǎng)1 148 m，從左岸至右岸依次為左岸擋水壩段、引水壩段、溢流壩段、底孔壩段、右岸擋水壩段，長(zhǎng)分別為377、103、231、51、386 m。合同簽訂后，為方便施工及運(yùn)行期的調(diào)度管理，將泄洪底孔和導(dǎo)流底孔壩段調(diào)整至左岸發(fā)電引水壩段和溢流壩段之間；同時(shí)為減少左岸廠房邊坡開挖，將發(fā)電引水壩段右移，盡可能將發(fā)電引水壩段、導(dǎo)流底孔、泄洪底孔壩段和溢流壩段緊湊布置于河床，優(yōu)化調(diào)整后的方案壩線總長(zhǎng)1 164 m，共分為52壩段，樞紐布置自左至右分別為左岸擋水壩段423.45 m、發(fā)電引水壩段97 m、導(dǎo)流底孔壩段60 m、泄洪底孔壩段25 m、溢流壩段173.55 m和右岸擋水壩段385 m。大壩為全斷面碾壓混凝土重力壩，發(fā)電廠房位于左岸發(fā)電引水壩段壩后。

3 建筑物布置設(shè)計(jì)

3.1 擋水建筑物

擋水壩段總長(zhǎng)808.45 m，左岸擋水壩段長(zhǎng)423.45 m(其中94.02 m坐落于極薄泥質(zhì)粉砂巖/砂巖水平互層地基上，最大壩高64.9 m)，共18個(gè)壩段；右岸擋水壩段長(zhǎng)385 m(其中177 m坐落于極薄泥質(zhì)粉砂巖/砂巖水平互層地基上，最大壩高82.5 m)，共16個(gè)壩段。砂巖擋水壩段最大壩高82.5 m，上游壩坡豎直，下游壩坡在203.56 m高程以上豎直，以下坡比為1∶0.80；右岸在144.5～175 m高程建基面下游設(shè)置混凝土齒槽，齒槽在建基面處寬11.75～17 m，底部寬6.5 m，深5～10 m；壩后建基面144.5～195.5 m高程回填5～16 m厚的混凝土和0～21 m厚的堆石。輝綠巖擋水壩段最大壩高117.5 m，上游壩坡在150.00 m高程以上豎直，130～150 m高程間坡比為1∶0.1，130 m高程以下為1∶0.2；下游壩坡在202.15 m高程以上豎直，以下坡比為1∶0.70。

3.2 泄水建筑物

3.2.1溢流壩段

溢流壩段在設(shè)計(jì)階段全面對(duì)無(wú)閘門自由溢流方案和有閘門控制方案進(jìn)行了比較，盡管有閘門控制方案具備便于控制調(diào)節(jié)水庫(kù)蓄水位，減少水庫(kù)放空時(shí)間從而為大壩檢修維護(hù)創(chuàng)造時(shí)間，以及降低壩高，減少投資等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在運(yùn)行期洪水管理調(diào)度相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)行防洪風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，考慮當(dāng)?shù)剡\(yùn)維管理水平的實(shí)際情況，最終采用無(wú)閘門自由溢流方案。

溢流壩段布置于主河床位置，通過(guò)不同溢流寬度的施工便利性和經(jīng)濟(jì)性比選，壩段總長(zhǎng)確定為173.55 m，共分8個(gè)壩段，溢流凈寬169.55 m，兩側(cè)設(shè)2 m寬的導(dǎo)墻。溢流堰采用無(wú)閘門控制開敞式表孔溢流堰，堰型采用WES型實(shí)用堰。溢流堰堰頂高程210 m，堰面采用WES型冪曲線。溢流壩消能方式為臺(tái)階+底流消能，臺(tái)階高0.9 m，寬0.648 m，坡比為1∶0.72，坡面臺(tái)階與下游護(hù)坦采用無(wú)圓弧連接，護(hù)坦頂高程109.0 m，厚1.5 m，護(hù)坦與下部巖體設(shè)直徑Φ32 mm的錨固鋼筋，入巖7.0 m，間排距1.5 m。模型試驗(yàn)說(shuō)明，在常年水位、設(shè)計(jì)水位和校核水位工況下運(yùn)行時(shí)，臺(tái)階溢流壩的消能率均超過(guò)70%，消能效果較好。

3.2.2泄洪底孔壩段

通過(guò)對(duì)壩身無(wú)壓泄水孔方案和壩身有壓泄水孔方案的比較，壩身無(wú)壓泄水孔方案盡管施存在大壩施工相互干擾較大、啟閉機(jī)室環(huán)境較差、運(yùn)維交通不便等不利方面，但該方案相對(duì)于壩身有壓泄水孔方案，投資較省，經(jīng)過(guò)綜合考慮，最終推薦壩身無(wú)壓泄水孔方案。

27號(hào)泄流底孔壩段布置于導(dǎo)流底孔壩段與溢流壩段之間，壩段長(zhǎng)25.00 m，壩頂高程215.50 m，壩頂寬20.40 m，壩基最低開挖高程96.8 m。泄流底孔分為2孔，進(jìn)口體形為橢圓曲線，進(jìn)口底坎高程130 m，進(jìn)口段后設(shè)置5.0 m×7.0 m(寬×高)事故檢修門和5.0 m×6.0 m(寬×高)弧形工作門各一道，壓坡段位于弧形閘門上游，坡度為1∶4.5。事故檢修門與弧形閘門之間布置鋼襯。鋼襯與混凝土之間的縫隙的滲水用型鋼集水槽收集后通過(guò)排水管流向下部的基礎(chǔ)廊道。工作弧門后設(shè)置1.2 m高的跌坎，邊墻兩側(cè)各設(shè)0.5 m的突擴(kuò)，跌坎內(nèi)埋設(shè)兩個(gè)直徑0.9 m的通氣鋼管摻氣，跌坎后為底坡1∶10泄槽，泄槽長(zhǎng)64.59 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半徑28 m，挑流鼻坎高程為125.958 m。

3.3 發(fā)電引水建筑物

發(fā)電引水壩段布置在左岸河床，總長(zhǎng)97 m，按5個(gè)壩段布置，4個(gè)引水口壩段均為19 m，河床擋水壩段為21 m，4條引水管道分別為4臺(tái)機(jī)組供水。引水口壩段頂高程215.50 m，壩基底高程103.00 m，壩高112.50 m，頂寬30.63 m，上游壩坡在125.00 m高程以上直立，在125.00 m高程以下坡比為1∶0.20，下游壩坡在184.903 m高程以上豎直，在184.903 m高程以下坡比為1∶0.70。為充分利用進(jìn)水口前的空間，在部分?jǐn)r污柵被污物堵塞時(shí)，仍可利用臨近的攔污柵過(guò)水，互為備用，在每個(gè)進(jìn)水口前設(shè)置通倉(cāng)式攔污柵，防止污物和漂浮物進(jìn)入進(jìn)水口。為保證水流平順漸變，喇叭形進(jìn)水口為橢圓曲線，其后設(shè)置檢修門和事故門，閘門孔口的面積約等于其后的壓力管道的面積。每個(gè)引水壩段(23 m)順?biāo)鞣较蛞来尾贾?孔4.2 m×12.0 m(寬×高)攔污柵，1孔4.5 m×7.0 m(寬×高)檢修門和1孔4.5 m×6.5 m(寬×高)事故門，引水發(fā)電鋼管直徑為5.8 m。

3.4 發(fā)電廠房

發(fā)電廠房布置在引水壩段下游，廠房機(jī)組縱軸線距壩軸線約121 m，基坑開挖最大深度約30 m，基礎(chǔ)坐落在微風(fēng)化輝綠巖上。電站尾水通過(guò)約590 m長(zhǎng)的尾水渠排至下游河床。為滿足廠區(qū)防洪及交通需要，廠區(qū)平臺(tái)高程確定為119.70 m。電站為壩后式地面廠房，采用“一機(jī)一管”的布置方式，總長(zhǎng)120.0 m，總寬47.3 m，總高約50.20 m。機(jī)組安裝高程105.0 m，機(jī)組的中心間距為19 m。電站總裝機(jī)容量為450 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量112.50 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

主要建筑物包括主廠房、上游副廠房、下游副廠房、尾水建筑物等。主廠房由主機(jī)間和安裝間組成，垂直于引水鋼管布置，安裝間布置在主機(jī)間的左側(cè)。4臺(tái)主變壓器露天布置在廠房上游側(cè)，GIS布置在上游一次副廠房二層，出線場(chǎng)布置在上游一次副廠房屋頂，空調(diào)機(jī)組和水力機(jī)械輔助系統(tǒng)設(shè)備在下游側(cè)副廠房，中控室及辦公房間布置安裝間上游側(cè)二次副廠房。為了方便機(jī)組安裝、檢修及設(shè)備裝卸，在主廠房?jī)?nèi)安裝有一臺(tái)200 t+200 t/40 t雙小車電動(dòng)雙梁橋式起重機(jī)，跨度19.0m。為了滿足中小部件的頻繁起吊的需要，在橋機(jī)大梁下部裝設(shè)一臺(tái)10 t電動(dòng)葫蘆及吊鉤。為了滿足GIS設(shè)備運(yùn)輸、安裝及檢修的需要，在GIS室內(nèi)安裝有一臺(tái)16 t電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)，跨度10.0 m。為了尾水閘門啟閉，尾水平臺(tái)安裝有一臺(tái)63 t單向門機(jī)。廠房主入口位于安裝間下游側(cè)的邊墻上，主廠房右側(cè)山墻以及下游副廠房的側(cè)墻上均有疏散通道。

3.5 導(dǎo)流底孔

導(dǎo)流底孔壩段長(zhǎng)60 m，共4孔，一壩一孔，單個(gè)壩段長(zhǎng)15 m，布置于泄洪底孔壩段與廠房壩段之間，2個(gè)低位導(dǎo)流底孔布置于泄洪底孔的左側(cè)，進(jìn)口高程113.50 m，2個(gè)高位導(dǎo)流底孔布置于發(fā)電引水口的右側(cè)，進(jìn)口高程119.00 m，孔口尺寸為8.00 m×10.00 m。壩基開挖最低高程103.00 m，最大壩高112.5 m，建基面位于微風(fēng)化輝綠巖巖體上。上游壩坡在140.00 m高程以上豎直，以下為坡比1∶0.2，下游壩坡在201.50m高程以上豎直，以下為坡比1∶0.70。

4 結(jié) 語(yǔ)

蘇阿皮蒂水利樞紐工程的樞紐布置及各建筑物的形式，綜合考慮了地形地質(zhì)條件、施工便利性、經(jīng)濟(jì)性、工期和國(guó)際工程的現(xiàn)狀，將泄水、發(fā)電引水建筑物集中緊湊布置于主河床，碾壓混凝土擋水壩段連續(xù)分置于兩岸壩肩，各建筑物的形式布置合理，在保證各建筑物功能的前提下，方便了大壩快速化施工，為如期實(shí)現(xiàn)合同工期內(nèi)的項(xiàng)目建設(shè)提供了有利條件。截止到2019年8月已累計(jì)完成混凝土澆筑量310萬(wàn)m3，占大壩混凝土總量的89%，提前實(shí)現(xiàn)初期下閘蓄水目標(biāo)，工程進(jìn)展順利。