布桑加水電站樞紐布置設(shè)計

孫寶成，王 坤，張 珺，崔 進，王晶晶

(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081；2.貴州省水利投資(集團)有限責(zé)任公司，貴陽 550001)

1 工程概況

布桑加(Busanga)水電站位于剛果民主共和國南部、科盧維奇市以北盧阿拉巴(Lualaba)河上，壩址控制流域面積22 940 km2[1]。盧阿拉巴河為剛果河源頭河流，發(fā)源于扎伊爾沙巴高原，贊比亞境內(nèi)東非大裂谷的高地山區(qū)，河流自南向北流入剛果(金)境內(nèi)，河全長1 800 km，流域內(nèi)人煙稀少，分布大片森林，植被茂盛，水土保持較好，河水含沙量較低。

剛果(金)境內(nèi)Lualaba 河上已建有N’Seke 水電站與N’Zilo 水電站，兩電站均建于上世紀(jì)50 年代[2]。N’Seke 水電站位于Busanga 上游約22 km 處，庫容2 120萬m3，調(diào)節(jié)能力較小，裝機容量248.4 MW，來水為上游N’Zilo水電站發(fā)電尾水。N’Zilo 水電站位于N’Seke 上游約25 km，控制流域面積16 300 km2，庫容23.8億m3，正常蓄水位時水面面積250 km2。電站裝機108 MW，電站下泄流量由泄洪系統(tǒng)下泄量與發(fā)電機組尾水流量兩部分組成。

布桑加水電站工程任務(wù)是發(fā)電，總裝機容量240 MW，電站裝機2臺，多年平均發(fā)電量13.20億kWh，保證出力126.1 MW，年發(fā)電利用小時數(shù)5 500 h，水庫總庫容13.58億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫。布桑加水電站樞紐建筑物由碾壓混凝土拱壩、左岸引水系統(tǒng)和地面廠房組成。碾壓混凝土拱壩最大壩高141.5 m，壩頂中心弧長259.83 m，是非洲在建的最高拱壩之一，電站預(yù)計2020年12月投產(chǎn)發(fā)電。

2 水文氣象條件

盧阿拉巴河流域位于非洲大陸，赤道南側(cè)，氣候主要受西部的大西洋氣團控制。盧阿拉巴河流域全年分為旱季和雨季，每年5—9月為旱季，10月～翌年4月為雨季。多年平均降水量1 060 mm，旱季降雨只占全年的2.6%，很多年份旱季月份里幾乎沒有降雨，而雨季中最大1日降雨量可達90 mm，多年平均約66天降雨量大于10 mm。多年平均氣溫19.5 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫0 ℃，多年平均氣溫年變幅為1.2℃。最大風(fēng)速15.4 m/s(風(fēng)向為N)，多年平均風(fēng)速1.7 m/s。多年平均相對濕度69%，多年平均雷暴日數(shù)70 d，多年平均日照時數(shù)2 575 h。

布桑加水電站壩址多年平均徑流量為47.2億m3，多年平均流量為150 m3/s[3]，最大年徑流量91.6億m3，最小年徑流量26.1億m3，壩址多年平均懸移質(zhì)入庫沙量為224萬t，多年平均含沙量0.084 kg/m3，根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗，推懸比取20%，則布桑加壩址多年平均推移質(zhì)輸沙量為39.8萬t。設(shè)計洪水成果見表1。

表1 設(shè)計洪水成果表

3 工程地質(zhì)條件

壩址河段為峽谷地貌，河流整體流向為N30～35°W，河床底部高程為745～755 m，水流湍急，為“V”型河谷。壩址兩岸及河邊基巖裸露，下伏基巖包括Ar1和Ar2地層，其中Ar1地層為中厚～厚層絹云千枚巖及石英千枚巖，壩基范圍內(nèi)均為該地層；Ar2地層為薄～中厚層絹云千枚巖夾石英千枚巖，主要分布于左岸近山頂及西側(cè)地區(qū)。地質(zhì)構(gòu)造為單斜地層，巖層整體傾向下游偏左岸，產(chǎn)狀變化較大，一般為N10～40°E/NW∠50～70°。地質(zhì)構(gòu)造以小斷層、擠壓帶(面)及裂隙為主。

引水隧洞沿山脊布置，沿線地形坡度10°～35°，植被較多，巖石風(fēng)化較強烈，隧洞最大埋深約190 m，隧洞出口位于電站廠房南側(cè)邊坡處。沿線覆蓋層主要為殘坡積碎石土，下伏基巖有:① 太古界(Ar1)，中厚～厚層狀絹云千枚巖夾石英千枚巖，巖芯多呈深灰色、灰黑色，少量呈黑白相間花紋狀，主要分布于隧洞上平段及豎井下半段；② 太古界(Ar2)，薄～中厚層絹云千枚巖夾石英千枚巖，巖芯及地表巖石多呈黑白相間的花紋狀，局部夾少量紅色條紋，分布于引水隧洞豎井上半段及下平段，隧洞沿線均為微新巖體。地面廠房區(qū)覆蓋層包括洪沖積層、崩坡積層及殘坡積層。廠房區(qū)主要地層為太古界(Ar3)石英千枚巖夾絹云千枚巖，以中厚層狀為主，少量呈薄層狀，巖芯多呈灰色、深灰色，地質(zhì)構(gòu)造以擠壓帶(面)及裂隙為主。

4 壩址、壩型及壩線比選

4.1 壩址選擇

根據(jù)工程規(guī)模、流域的地形、地貌、地質(zhì)條件及施工等情況，考慮開發(fā)河段水能利用與銜接、水庫淹沒、環(huán)境保護和樞紐布置等因素，擬定了上、下2個壩址方案進行比較研究。從水文、水能、地形、地質(zhì)、樞紐布置、施工及工程運行等條件進行綜合比選，上、下壩址均能滿足建壩地質(zhì)條件及規(guī)劃指標(biāo)要求[4]，但下壩址經(jīng)濟指標(biāo)、施工條件均優(yōu)于上壩址，且交通更為便利，優(yōu)勢較為明顯，經(jīng)綜合考慮各項因素后，選擇下壩址為推薦壩址。

4.2 壩型選擇

結(jié)合本工程的地形、地質(zhì)條件、工程特點及筑壩材料等具體條件，采用碾壓混凝土拱壩和碾壓混凝土重力壩2種壩型進行壩型比較。碾壓混凝土拱壩與重力壩工程地質(zhì)條件基本相同，地質(zhì)條件均適應(yīng)，從地形上分析，河谷狹窄，更有利于拱壩布置。拱壩方案較重力壩方案開挖嵌深大，形成的邊坡坡度高，邊坡支護處理措施較大。重力壩建基面面積比拱壩大，建基面基礎(chǔ)處理量較大。碾壓重力壩和拱壩方案的施工導(dǎo)流度汛標(biāo)準(zhǔn)相同，均采用全年導(dǎo)流方式，施工導(dǎo)流方案相同。重力壩混凝土量大，水泥運輸量大，考慮到國際工程不可預(yù)見因素相對較多，應(yīng)盡量減少外運材料用量，拱壩較優(yōu)。從主要工程量看，重力壩方案開挖量較拱壩方案少約11.5萬m3，總混凝土量比拱壩方案多24.77萬m3，固結(jié)灌漿重力壩方案多4.5萬m；下游水墊塘、二道壩及下游護坡處理中，重力壩比拱壩方案開挖量多1.6萬m3；防滲帷幕重力壩方案多約0.18萬m。

綜合地形地質(zhì)適應(yīng)性、大壩布置及運行條件、施工布置條件及投資比較，拱壩在工程投資上具有明顯的優(yōu)勢，因此將碾壓混凝土拱壩作為推薦壩型。

4.3 壩線選擇

通過對推薦壩址進行詳細(xì)的現(xiàn)場查勘，綜合考慮壩址的地形、地質(zhì)條件，擬定了上、下2個比較壩線。上、下壩線相距93 m左右，地層巖性及構(gòu)造基本相同，F(xiàn)1斷層在上壩線下游側(cè)及局部壩基內(nèi)揭露，對拱壩壩肩下游邊坡有一定影響，F(xiàn)1斷層在下壩線上游側(cè)及壩基范圍內(nèi)揭露，對拱壩壩肩上游邊坡有一定影響，上、下壩線在地質(zhì)條件上基本相當(dāng)。上、下壩線按照基本相同的嵌深開挖，上壩線拱壩壩頂長度312 m，下壩線拱壩壩頂長度約265 m，下壩線拱壩壩體尺寸小于上壩線。上、下壩線樞紐布置相同，主要施工通道均從大壩左岸下游新建，故上壩線上壩交通較下壩線長約100 m，同時導(dǎo)流洞長度長約100 m，下壩線略優(yōu)。上、下兩條壩線采用相同的設(shè)計嵌深及一致的拱冠梁剖面，經(jīng)體型計算，上壩線河谷比下壩線寬闊，上壩線拱壩混凝土量較下壩線多約6.9萬m3，開挖量比下壩線多1.68萬m3；下游水墊塘及護坡工程量基本相差不大，防滲帷幕上壩線比下壩線拱壩多0.6萬m。綜合比選，推薦壩線為下壩線。

5 樞紐布置方案

5.1 泄水布置選擇

為滿足工程泄洪、沖沙及放空檢修的要求，根據(jù)本工程的地形、地質(zhì)、水位和泄洪特點，結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)和樞紐布置等因素，擬定4種布置方案：2表孔+2中孔(方案1)、3表孔+2中孔(方案2)、2表孔+1中孔+左岸泄洪洞(方案3)、2表孔+1中孔(方案4)。

從超泄能力、放空能力方面分析，4個方案均能滿足水庫運行要求。方案1、方案2、方案4均采用壩身表孔及中孔的方式，規(guī)模相差不大，樞紐布置、壩體施工難度方面基本相當(dāng)，方案3需改建導(dǎo)流洞，并開挖隧洞及豎井，新建豎井底部的施工通道，施工干擾及難度較大。

從壩身孔口下游泄洪消能來說，均采用表孔跌流、中孔挑流、下游設(shè)置二道壩的方式[5]，二道壩規(guī)?；鞠嗤?，下游貼坡型式一致，但總體相差不大，泄洪水流落點及沖坑規(guī)?；鞠喈?dāng)。方案3采用旋流豎井消能，消能型式復(fù)雜，泄洪洞出口流速較大，出口水流對岸邊沖刷嚴(yán)重。

從工程投資上來看，方案4工程投資最小，方案1工程投資僅比方案四稍多，差別很小，方案3由于需要新建泄洪洞，工程投資最大。從運行靈活上來看，方案1、方案2、方案3的表孔、中孔均互有備用，運行靈活，方案4僅布置1個中孔，中孔檢修時壩體無其他放空通道，運行較差。綜合比較4個方案，選擇方案1作為泄洪系統(tǒng)推薦方案，即2個溢流表孔+2個中孔的布置型式，主要承擔(dān)宣泄水庫各種頻率的洪水及放空水庫的任務(wù)。各泄洪方案優(yōu)缺點比較見表2，樞紐布置見圖1。

表2 各泄洪方案優(yōu)缺點比較表

圖1 布桑加水電站樞紐布置圖

5.2 引水系統(tǒng)選擇

引水系統(tǒng)受地形地質(zhì)條件限制，引水線路選擇穿越山脊進入廠房是最為合適的。引水系統(tǒng)方案的比較重點是隧洞和調(diào)壓設(shè)施的布置條件。結(jié)合地形、地質(zhì)條件，擬定如下引水比較方案：2洞4機無上游調(diào)壓室(方案1)、2洞4機+上游調(diào)壓室(方案2)、1洞4機無上游調(diào)壓室(方案3)、1洞4機+上游調(diào)壓室(方案4)。

方案3工程投資比方案4高，轉(zhuǎn)速上升率也是4個方案中偏高的，且運行相對不靈活，首先予以放棄。方案2設(shè)置調(diào)壓室加大了上游調(diào)壓室井身的高度，還增加了地面明井及鋼管工程量。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，帶調(diào)壓室的方案2對比方案4，上游調(diào)壓室斷面尺寸相同，但調(diào)壓室個數(shù)需增加為2個，單個井筒高度也增加8.5 m，調(diào)壓室工程量大幅增加。由此方案2也予以放棄。

方案1和方案4水力學(xué)、機組過渡過程均滿足國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)；方案1壓力鋼管長度比方案4長240 m，引水隧洞長度比方案4小74 m，投資差異基本相當(dāng)；考慮到機組運行時，方案1運行較靈活，檢修相對方便，且有利于電網(wǎng)供電的平穩(wěn)。因此，選定方案1的樞紐布置方式。

6 主要建筑物設(shè)計

通過下壩址、壩型壩線、樞紐布置比選，本工程推薦方案樞紐由碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、左岸引水系統(tǒng)及地面廠房等建筑物組成[6]。

6.1 擋水建筑物

布桑加壩址沿壩軸線呈“V”型河谷，兩岸地形陡峭，兩岸坡度約40°～60°，壩址河段河流整體流向為N30°～35°W。大壩布置除考慮壩肩穩(wěn)定及應(yīng)力、右岸F1斷層及其分支對右壩肩上游順向邊坡穩(wěn)定、下泄水流歸槽、工程投資外，還結(jié)合現(xiàn)有勘探平硐綜合考慮大壩與引水發(fā)電進水口布置協(xié)調(diào)、交通及壩基排水通道、施工便利、減少施工干擾等因素，選定攔河壩為雙曲拋物線拱壩，壩頂高程885.00 m，最大壩高141.50 m。壩頂寬8.0 m，壩底厚36.0 m，厚高比0.254，壩頂中心弧長259.83 m，最大中心角88.6962°，最小中心角53.1302°，基本上呈對稱布置，中心線方位N35.09°W。拱冠最大曲率半徑136 m，最小曲率半徑60 m。壩體防滲采用二級配碾壓混凝土自身防滲[7]。

拱壩體型通過拱梁分載法和有限元法計算表明，各工況應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，分布合理。拱壩左壩肩存在2種組合滑動模式，右岸壩肩存在一種滑動組合模式，對左右岸拱座穩(wěn)定最不利組合模式進行分析計算表明左右壩肩各工況、滑動組合模式下均能滿足規(guī)范要求，拱壩壩肩穩(wěn)定滿足要求。布桑加水電站拱壩三維體型見圖2。

圖2 布桑加水電站拱壩三維體型圖

6.2 泄水建筑物

泄水建筑物由溢流表孔、中孔及下游消能防沖建筑物等組成。溢流表孔沿拱壩中心線對稱布置，孔口尺寸8 m×7 m(寬×高)。堰頂高程875.00 m，堰頂原點上游設(shè)置寬2. 3 m水平段，方便設(shè)置表孔檢修門；水平段上游曲線采用橢圓弧與上游坡相接，堰頂原點下游曲線采用WES曲線，后接坡度為1∶1.07的直線段，直線段后接半徑為30 m的反弧段，反弧段末端高程857.00 m。

2個中孔布置在810.00 m高程，布置在溢流表孔兩側(cè)。中孔進口設(shè)置檢修閘門，孔口尺寸3 m×4.5 m(寬×高)，出口設(shè)置弧形工作閘門，孔口尺寸3 m×3.5 m(寬×高)。中孔由進口段、中部有壓流段和出口明流段3部分組成。

本工程河谷狹窄，下泄水流的動能較大，為盡量減少下泄水流對兩岸岸坡沖刷，通過設(shè)計表孔及中孔體型及消能工方式，將表孔下泄水流與中孔下泄水流前后拉開，讓兩處水流落點前后分開，水流不交叉重合，既可避免水流沖坑集中，也可減少下游河道開挖，并在下游設(shè)置水墊塘、二道壩及護坦，作為綜合消能措施。對泄洪系統(tǒng)采用Flow-3D軟件進行數(shù)值模擬，從模擬結(jié)果可知，水舌形態(tài)上，表孔水舌和中孔水舌基本不碰撞，不存在水舌對沖現(xiàn)象，各工況下，水墊塘底板水流流速、壓力分布均勻，泄洪建筑物滿足泄洪消能要求。三維水舌形態(tài)見圖3[8]。

圖3 三維水舌形態(tài)圖

6.3 引水發(fā)電廠房

引水發(fā)電系統(tǒng)位于河道左岸，由岸塔式進水口、引水隧洞、壓力鋼管及左岸地面廠房組成。電站采用2洞4機單元供水方式，單機引用流量51.7 m3/s。進水口采用兩單元組成的岸塔式進水口，進水口段長28.2 m，進口底板高程857.00 m，塔頂高程與壩頂同高為885.00 m。進水口設(shè)置6孔直立連通式攔污柵，攔污柵孔口尺寸為3.8 m×13.0 m(寬×高)，前緣總寬34.2 m。每個進水口依次設(shè)置1道檢修閘門和1道工作閘門，閘門孔口尺寸為5.7 m×6.7 m(寬×高)。

引水發(fā)電系統(tǒng)沿左岸山脊布置，2條引水隧洞均包括上平段和斜井段，斷面為圓形，洞徑6.7 m，流速為3.02 m/s。壓力鋼管由斜井段、下平段、岔管段和支管段組成，始于引水隧洞斜井段未端，斜井775.00 m高程以上為隧洞，775.00 m以下為壓力鋼管。2條斜井段均長約55.7 m，內(nèi)徑6.7 m，管壁厚度28 mm。壓力鋼管采用2管4機的布置型式，2個主管下平段均長約165 m；其中內(nèi)徑6.7 m段長約45 m，管壁厚度28 mm，最大流速為3.02 m/s；內(nèi)徑5.2 m段長120 m，管壁厚度26 mm；1號～4號支管均長約5 0 m，內(nèi)徑均為3.4 m，支鋼管壁厚26 mm，最大流速為5.87 m/s。主管與支管通過Y型岔管連接，岔管壁厚34 mm。

發(fā)電廠房位于大壩下游約420 m的河道左岸，為岸邊式地面廠房，裝機容量240 MW，臺數(shù)4臺，單機容量60 MW。廠區(qū)樞紐由主機間、安裝間、上游副廠房、尾水平臺、尾水渠等建筑物組成。

7 結(jié) 論

(1) 結(jié)合布桑加水電站開發(fā)利用河段的地形地質(zhì)條件、樞紐布置條件、交通施工條件、工程投資及運行調(diào)度等因素，通過多方案比選，選擇了下壩址、下壩線、碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、左岸引水系統(tǒng)及地面廠房的樞紐布置方案，該方案安全、經(jīng)濟、合理[9]。

(2) 通過業(yè)主單位、設(shè)計單位、建設(shè)單位、科研院所與高校的聯(lián)合攻關(guān)，采用三維有限元、Flow-3D數(shù)值模擬、體型優(yōu)化等方法與手段，最終確定了碾壓混凝土拱壩體型，確保了工程安全、經(jīng)濟。

(3) 根據(jù)壩址河谷形態(tài)、地形、地質(zhì)條件，采用表孔及中孔體型及消能工的設(shè)計方式，確保了工程泄洪安全，運行靈活方便，滿足了沖砂要求。