幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂水利樞紐電站廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)布置及優(yōu)化研究

翟利軍，張 萌

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

幾內(nèi)亞被譽(yù)為“西非水塔”，擁有豐富的水電資源。蘇阿皮蒂水電站是孔庫(kù)雷河梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第2級(jí)電站，電站上游100 km為已建的裝機(jī)75 MW的格拉菲里水電站，下游6 km為2015年建成發(fā)電的裝機(jī)24 MW的凱樂(lè)塔水電站，距離首都科納克里約135 km，最近的兩大城鎮(zhèn)為弗里亞和通東，建成后將成為“幾內(nèi)亞的三峽工程”，是中國(guó)水電建設(shè)者與“一帶一路”沿線(xiàn)國(guó)家在產(chǎn)能合作領(lǐng)域取得的成果。電站的發(fā)電能力不僅能滿(mǎn)足目前幾內(nèi)亞國(guó)內(nèi)的電力需求，多余電能還將輸送至周邊國(guó)家，將徹底改變幾內(nèi)亞電力短缺的狀況，使其正式成為西非電力輸出國(guó)。

蘇阿皮蒂水利樞紐工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型，大壩為1級(jí)，發(fā)電廠(chǎng)房為2級(jí)。碾壓混凝土重力壩最大壩高120 m，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)1 164 m，自左至右分別為左岸擋水壩段、發(fā)電引水壩段、導(dǎo)流底孔壩段、泄洪底孔壩段、溢流壩段和右岸擋水壩段，水庫(kù)總庫(kù)容63.17億m3。水電站為壩后式地面廠(chǎng)房，布置于左岸發(fā)電引水壩段壩后，電站總裝機(jī)容量450 MW，安裝有4臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量112.50 MW，多年平均發(fā)電量19億kW·h。

1 廠(chǎng)房布置

可行性研究階段，根據(jù)樞紐總布置，電站廠(chǎng)房布置在主河床左側(cè)，引水發(fā)電壩段下游側(cè)，采用“一機(jī)一管”布置，總長(zhǎng)度131.00 m，總寬度59.75 m，總高度53.30 m。水輪機(jī)安裝高程104.50 m，機(jī)組的中心間距為20 m。廠(chǎng)區(qū)主要建筑物包括主廠(chǎng)房、副廠(chǎng)房、尾水渠和225 kV出線(xiàn)場(chǎng)等。主廠(chǎng)房由主機(jī)間和安裝間組成，安裝間布置在主機(jī)間的左側(cè)，安裝間下部布置滲漏、檢修集水井及泵房。225 kV出線(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)布置在廠(chǎng)房下游側(cè)左岸的灘地上，回填而成，高程為118.70 m，包括隔離開(kāi)關(guān)、電容式電壓互感器及氧化鋅避雷器等，副廠(chǎng)房相應(yīng)主要布置在主廠(chǎng)房的下游側(cè)，便于出線(xiàn)，包含中控樓、主變室和GIS室，通過(guò)電纜廊道連接至下游左岸的出線(xiàn)場(chǎng)。樞紐平面布置如圖1所示，廠(chǎng)房橫剖面如圖2所示。

圖2 廠(chǎng)房橫剖面圖(可研階段)

2016年1月與幾內(nèi)亞政府簽署項(xiàng)目建設(shè)合同后，在可研階段基礎(chǔ)上，隨著地質(zhì)勘察工作地深入，結(jié)合地形地質(zhì)條件、建筑物的布置條件、經(jīng)濟(jì)合理性及施工便利性，對(duì)布置進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化。為充分利用廠(chǎng)區(qū)上游平臺(tái)，減少回填工程量，將副廠(chǎng)房移至上游側(cè)，同時(shí)也縮短了尾水管長(zhǎng)度[1]。優(yōu)化布置后廠(chǎng)區(qū)主要建筑物包括主廠(chǎng)房、上游副廠(chǎng)房、下游副廠(chǎng)房、尾水建筑物等。廠(chǎng)房主入口位于安裝間下游側(cè)的邊墻上。主廠(chǎng)房由主機(jī)間和安裝間組成，安裝間布置在主機(jī)間的左側(cè)，4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組垂直于引水鋼管布置；在主廠(chǎng)房?jī)?nèi)安裝有一臺(tái)160 t+160 t/50 t雙小車(chē)電動(dòng)雙梁橋式起重機(jī)，跨度19.0 m，用于機(jī)組安裝、檢修及設(shè)備裝卸。4臺(tái)主變壓器露天布置在廠(chǎng)房上游側(cè)，GIS布置在上游側(cè)一次副廠(chǎng)房二層，出線(xiàn)場(chǎng)布置在上游側(cè)一次副廠(chǎng)房屋頂，空調(diào)機(jī)組和水力機(jī)械輔助系統(tǒng)設(shè)備布置在下游側(cè)副廠(chǎng)房?jī)?nèi)，中控室及辦公房間布置在安裝間上游側(cè)二次副廠(chǎng)房。廠(chǎng)區(qū)平臺(tái)高程為119.70 m，滿(mǎn)足廠(chǎng)區(qū)防洪及交通需要。電站尾水通過(guò)尾水渠接至下游河床。廠(chǎng)區(qū)右側(cè)及尾水渠右邊坡頂設(shè)置導(dǎo)墻，保證施工導(dǎo)流期間廠(chǎng)房基坑安全。

根據(jù)機(jī)組尺寸及水機(jī)電氣設(shè)備布置需要，主廠(chǎng)房長(zhǎng)度120.0 m，寬度23.0 m，高度50.30 m。機(jī)組安裝高程SMK105.0 m，主機(jī)間建基面高程為SMK90.10 m，坐落在輝綠巖上。主機(jī)間長(zhǎng)度89.0 m，寬度23.0 m，高度50.30 m。機(jī)組中心間距為19.0 m，采用“一機(jī)一縫”的布置形式。主機(jī)間共分6層布置，分別為發(fā)電機(jī)層(高程為SMK119.90 m)、母線(xiàn)層(高程為SMK114.00 m)、水輪機(jī)層(高程為SMK109.20 m)、蝸殼層(高程為SMK103.50 m)、交通層(高程為SMK98.50 m)、水泵層(高程為SMK90.45 m)。

安裝間布置在主機(jī)間的左側(cè)，長(zhǎng)度為31.0 m，寬度與主機(jī)間同寬，主要用于機(jī)組檢修時(shí)放置上下機(jī)架、轉(zhuǎn)子、定子、轉(zhuǎn)輪、頂蓋等設(shè)備以及主變壓器的安裝與檢修。為滿(mǎn)足主變壓器檢修時(shí)的運(yùn)輸要求，安裝間底板處布置有主變軌道直通山墻左側(cè)室外，連接至各主變間隔。為方便上下游主副廠(chǎng)房之間管線(xiàn)、電纜連接，在靠近主機(jī)間一側(cè)安裝間下部設(shè)有電纜廊道。安裝間大門(mén)布置在下游側(cè)，與廠(chǎng)區(qū)道路連接。

主機(jī)間對(duì)應(yīng)的上游副廠(chǎng)房主要布置電氣一次設(shè)備，與主機(jī)段長(zhǎng)度一致，長(zhǎng)89.0 m，寬12.0 m，分5層布置，分別為屋頂出線(xiàn)平臺(tái)層(高程為SMK139.20 m)、GIS設(shè)備層(高程為SMK126.90 m)、廠(chǎng)用設(shè)備層(高程為SMK119.90 m)、母線(xiàn)設(shè)備層(高程為SMK114.0 m)、水機(jī)設(shè)備層(高程為SMK109.20 m)。4臺(tái)主變壓器露天布置在該副廠(chǎng)房的上游側(cè)廠(chǎng)區(qū)。

安裝間上游側(cè)的副廠(chǎng)房為二次副廠(chǎng)房，與安裝間同長(zhǎng)，長(zhǎng)31.0 m，與主機(jī)間上游副廠(chǎng)房同寬，寬12.0 m。共分兩層布置，分別為SMK119.90 m層，主要布置中控室、繼保室、計(jì)算機(jī)室等。SMK126.90 m層，主要布置會(huì)議室、辦公室等。

下游副廠(chǎng)房主要在尾水平臺(tái)高程以下，尾水管上部，共分4層布置，高程分別為SMK114.00 m、SMK109.20 m、SMK103.50 m、SMK98.50 m，布置有空調(diào)風(fēng)機(jī)、消防供水濾水器、飲用水處理設(shè)備及管路、尾水盤(pán)閥等。

尾水平臺(tái)高程為SMK119.70 m，寬度為13.30 m，尾水平臺(tái)安裝有一臺(tái)63 t單向門(mén)機(jī)。每條尾水管設(shè)兩孔尾水檢修門(mén)，為平面滑動(dòng)閘門(mén)，尾水閘門(mén)孔口尺寸為5.10 m×4.40 m(寬×高)，尾水管底板高程93.20 m。尾水渠寬69.0 m，自閘墩起接1∶3的反坡至105.0 m高程，通過(guò)尾水渠將尾水排至下游河道。廠(chǎng)房橫剖面圖和廠(chǎng)區(qū)平面圖見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 廠(chǎng)房橫剖面圖(施工設(shè)計(jì)階段)

圖4 廠(chǎng)區(qū)平面圖(施工設(shè)計(jì)階段)

2 廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘇阿皮蒂水電站采用壩后地面式廠(chǎng)房，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對(duì)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整體布置更加合理、緊湊，節(jié)約了工程量。首先將225 kV出線(xiàn)由下游獨(dú)立出線(xiàn)場(chǎng)改為上游副廠(chǎng)房屋頂出線(xiàn)，避免了長(zhǎng)距離高壓電纜投運(yùn)試驗(yàn)及運(yùn)行維護(hù)的困難，節(jié)省了出線(xiàn)場(chǎng)及電纜廊道土建投資[2]。主變壓器及GIS設(shè)備等電氣設(shè)備相應(yīng)從尾水平臺(tái)移至廠(chǎng)區(qū)平臺(tái)室外及上游側(cè)副廠(chǎng)房，利于主變散熱，減少對(duì)廠(chǎng)房溫升的影響，更加遠(yuǎn)離了泄洪底孔泄洪時(shí)挑流點(diǎn)，減小了水霧對(duì)電氣設(shè)備的影響，也縮短了尾水管長(zhǎng)度，減少了下部大體積混凝土體積。

根據(jù)機(jī)組尺寸、尾水管和蝸殼尺寸及設(shè)備布置要求，對(duì)機(jī)組間距進(jìn)行優(yōu)化，從20 m調(diào)整為19 m，減小了廠(chǎng)房整體尺寸，使設(shè)備布置更加緊湊，同時(shí)將集水井從原靠岸坡的安裝間側(cè)移至靠河道中心的4號(hào)機(jī)組側(cè)，減小了廠(chǎng)房邊坡開(kāi)挖量。

廠(chǎng)房尾水渠靠近主河道，覆蓋層淺，原設(shè)計(jì)尾水渠結(jié)構(gòu)為重力式擋墻回填塊石混凝土及砂礫石，因尾水渠較長(zhǎng)，開(kāi)挖回填量及混凝土量均較大。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段利用良好的地層條件，將尾水渠結(jié)構(gòu)優(yōu)化為開(kāi)挖明渠結(jié)構(gòu)[3-5]，底板根據(jù)水力計(jì)算和模型試驗(yàn)要求采用局部混凝土底板，以減小糙率，滿(mǎn)足尾水位要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

蘇阿皮蒂水電站是幾內(nèi)亞最大的水電站，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為單一目標(biāo)，本文在可研階段設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合新的地形地質(zhì)條件、樞紐建筑物的優(yōu)化布置、經(jīng)濟(jì)合理性及施工便利性對(duì)廠(chǎng)房整體尺寸、出線(xiàn)及電氣設(shè)備布置、集水井位置、尾水渠型式等進(jìn)行了優(yōu)化，這些優(yōu)化措施，使廠(chǎng)房布置更加合理緊湊，降低工程造價(jià)，方便施工，為類(lèi)似水電站設(shè)計(jì)提供了良好的參考和借鑒。項(xiàng)目于2016年4月開(kāi)工，計(jì)劃于2020年底建成發(fā)電，目前廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)排架柱施工完成，橋機(jī)已安裝，正在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備安裝和廠(chǎng)房裝修施工，工程進(jìn)展順利。