剛果（金）BSG水電站引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孔宇田，余 揚(yáng)，王 坤，袁應(yīng)飛

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 概述

BSG（Busanga）水電站位于剛果（金）南部地區(qū)盧阿拉巴省,剛果河源頭支流盧阿拉巴（Lualaba）河上。壩址位于N‘zilo-Busanga峽谷出口上游約1.3 km 處,是該峽谷河段規(guī)劃四個(gè)梯級(jí)電站（即N’Zilo I、N’zilo II、N’Seke和Busang）的最后一個(gè)梯級(jí)。

水庫(kù)正常蓄水位882.00 m、死水位870.00 m,設(shè)計(jì)洪水位（P=0.1%）882.35 m,校核洪水位（P=0.01%）883.21 m,總庫(kù)容13.58 億m3,為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站裝機(jī)容量240 MW,多年平均發(fā)電量13.31 億kW·h,保證出力125.9 MW,發(fā)電利用小時(shí)數(shù)5547 h。工程樞紐主要由碾壓混凝土拱壩、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。

引水系統(tǒng)位于河道左岸,由岸塔式進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管組成。電站采用兩洞四機(jī)單元供水方式,1#、2#機(jī)組引水線路總長(zhǎng)577.20 m,3#、4#機(jī)組引水線路總長(zhǎng)609.01 m,單機(jī)引用流量50.63 m3/s。

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。采用鋼筋混凝土襯砌,根據(jù)圍巖分類不同,襯砌厚度0.6 m~1.0 m。1#引水隧洞（1#、2#機(jī)組）總長(zhǎng)255.43 m,2#引水隧洞（3#、4#機(jī)組）總長(zhǎng)287.24 m。

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末端,斜井775 m高程以上為隧洞,775 m以下為壓力鋼管。2 條斜井段均長(zhǎng)約55.7 m,內(nèi)徑6.7 m,管壁厚度22 mm~28 mm,回填0.6 m厚的C20 素混凝土。壓力鋼管采用2 管4 機(jī)的布置型式,2 個(gè)主管下平段均長(zhǎng)約117 m；其中內(nèi)徑6.7 m段長(zhǎng)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(zhǎng)72 m,管壁厚度28 mm~32 mm；1#~4#支管均長(zhǎng)約85 m,內(nèi)徑均為3.4 m,支鋼管壁厚26 mm~32 mm,最大流速為5.87 m/s；鋼管與開(kāi)挖巖壁之間均回填0.6 m厚的C20 素混凝土。主管與支管通過(guò)Y型岔管連接,岔管鋼襯平均厚34 mm。

2 引水發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

BSG水電站在可行性研究階段結(jié)合廠址位置,進(jìn)行上、下廠址比較,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,推薦采用左岸上廠址地下廠房引水發(fā)電系統(tǒng)布置方案。

詳細(xì)可研階段,根據(jù)可研階段研究成果和剛果民主共和國(guó)能源水利部對(duì)可行性研究報(bào)告的主要審查意見(jiàn),結(jié)合法國(guó)Tractebel Engineering咨詢公司對(duì)水工建筑物的可研咨詢意見(jiàn),擬定了上、下兩個(gè)廠址進(jìn)行引水發(fā)電系統(tǒng)比較分析,上廠址距離大壩直線距離約420 m,下廠址距離大壩直線距離約1.05 km,上、下廠址均進(jìn)行了左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)布置對(duì)比研究,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,推薦采用左岸上廠址地面廠房引水發(fā)電系統(tǒng)布置方案[1]。

詳細(xì)可研階段引水系統(tǒng)推薦采用左岸兩洞四機(jī)單元供水布置方式,壓力水道由上平段、豎井段和下平段組成,本著投資技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果最佳原則,施工圖階段進(jìn)一步開(kāi)展了引水道豎井改斜井的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2~4]。

2.1 引水線路布置原則

（1）盡量避開(kāi)山溝或非常破碎軟弱的巖層,或地下水頭很高、水量很大的地帶。洞線與巖層層面、構(gòu)造斷裂面及軟弱帶的走向應(yīng)有較大的夾角,其夾角不宜小于30°。

（2）結(jié)合樞紐整體布置,引水線路主要結(jié)合廠房位置,綜合考慮施工等條件進(jìn)行布置。

（3）引水線路沿程縱坡不宜變化過(guò)多,不宜設(shè)置平坡,避免設(shè)置反坡。選擇斜井坡度時(shí),綜合考慮施工和地質(zhì)條件（巖層的走向、傾角、節(jié)理裂隙的切割條件等）；當(dāng)自下而上開(kāi)挖斜井時(shí),為便于滑渣,一般用坡角42°~55°；當(dāng)自上向下開(kāi)挖斜井時(shí),一般認(rèn)為坡角不大于30°為宜。

（4）對(duì)于有壓隧洞,要根據(jù)各種水位和流量數(shù)據(jù)計(jì)算沿隧洞全長(zhǎng)的壓力坡線,不論何種情況洞頂至少保證有2 m的壓力水頭[5]。

2.2 引水線路沿線地質(zhì)條件

引水線路沿左岸山脊布置,沿線地形坡度10°~35°,植被較多,巖石風(fēng)化較強(qiáng)烈。線路沿線地層巖性主要為殘坡積碎石土,厚度小于1 m；下伏基巖有①太古界（Ar1-2）,薄~中厚層石英千枚巖,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,主要分布于引水線路出口段；②太古界（Ar1-1）,中厚~厚層狀石英千枚巖夾少量薄~中厚層狀絹云千枚巖,巖芯多呈深灰色、灰黑色,少量呈黑白相間花紋狀,主要分布于引水線路進(jìn)口及大部分線路區(qū)。

引水線路沿線為單斜地層,巖層產(chǎn)狀變化較大,其中Ar1-1地層巖層產(chǎn)狀多為N10~30°E/NW∠50~70°,Ar1-2地層巖層產(chǎn)狀多為N10~20°E/NW∠60~70°。構(gòu)造以擠壓面及小斷層為主。

引水線路沿線地下水以基巖裂隙水為主,引水線路下平段之后多位于地下水位以下,施工期間可能出現(xiàn)滲水、滴水現(xiàn)象。

引水隧洞最大埋深約170 m,線路沿線圍巖以弱風(fēng)化~微新巖體為主,巖石以石英千枚巖為主,以中厚層~厚層狀為主,引水隧洞軸線與巖層走向夾角30°~40°。引水隧洞圍巖以Ⅲ類圍巖為主,少量擠壓帶及破碎帶洞段為Ⅳ~V類圍巖,隧洞圍巖整體穩(wěn)定性較好,具備成洞條件,頂拱及邊墻可能出現(xiàn)局部掉塊現(xiàn)象[1]。

2.3 引水線路布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)詳細(xì)可研階段引水系統(tǒng)布置,施工圖階段對(duì)引水系統(tǒng)開(kāi)展的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究主要為：保持引水系統(tǒng)線路平面布置及特征洞徑不變,綜合考慮水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算、隧洞埋深、結(jié)構(gòu)安全、鋼管布置等,將線路縱向布置豎井段優(yōu)化調(diào)整為斜井。引水系統(tǒng)平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 引水系統(tǒng)平面布置圖

以3#機(jī)組引水系統(tǒng)布置為例,引水系統(tǒng)縱向豎井布置見(jiàn)圖2,上平段為隧洞、壓力鋼管始于豎井上彎段。

圖2 優(yōu)化前3#機(jī)組引水系統(tǒng)縱向豎井布置圖

引水系統(tǒng)縱向斜井布置見(jiàn)圖3,上平段為隧洞、斜井段 775高程以上為隧洞、775高程以下為壓力鋼管。

圖3 優(yōu)化后3#機(jī)組引水系統(tǒng)縱向斜井布置圖

以3#機(jī)組引水系統(tǒng)布置為例,優(yōu)化前后引水線路特性對(duì)比表,見(jiàn)表1。

表1 引水線路優(yōu)化前后主要特性對(duì)比表

通過(guò)引水線路優(yōu)化前后特性對(duì)比,斜井方案與豎井方案在線路總長(zhǎng)度與鋼管總長(zhǎng)度上均有較大優(yōu)勢(shì)。

2.4 調(diào)節(jié)保證計(jì)算對(duì)比分析

根據(jù)兩種方案引水線路布置,以3#機(jī)組引水發(fā)電系統(tǒng)為例,分別研究其水力過(guò)渡過(guò)程,見(jiàn)表2。

表2 引水線路優(yōu)化前后主要水力特性對(duì)比表

通過(guò)引水線路優(yōu)化前后水力特性對(duì)比,兩方案布置均不需要設(shè)置上游調(diào)壓井,總水頭損失相當(dāng),對(duì)發(fā)電量影響較小,但豎井方案壓力鋼管末端最大水錘壓力明顯高于斜井方案,引水系統(tǒng)最高壓力線豎井方案在斜井方案之上,見(jiàn)圖2、圖3,最高壓力線影響引水隧洞襯砌及壓力鋼管的壁厚,進(jìn)而影響引水系統(tǒng)投資。

2.5 投資對(duì)比分析

通過(guò)前述比較分析,豎井方案壓力鋼管長(zhǎng)度較斜井方案長(zhǎng)162.77 m,本工程壓力鋼管主管直徑6.7 m,鋼管制安難度大,壓力鋼管施工綜合單價(jià)高,且豎井方案引水系統(tǒng)總體內(nèi)水壓力較斜井方案大,經(jīng)壓力鋼管、岔管抗內(nèi)外水壓力結(jié)構(gòu)計(jì)算確定鋼管壁厚,結(jié)合隧洞襯砌施工等工程量,對(duì)兩個(gè)方案的投資進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表3。

表3 引水系統(tǒng)主要工程量及投資對(duì)比表（不含進(jìn)水口）

通過(guò)對(duì)比分析,斜井方案明顯減少了壓力鋼管的制安工程量,節(jié)省投資約2507 萬(wàn)元,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)BSG水電站工程特點(diǎn),設(shè)計(jì)人員在施工圖設(shè)計(jì)階段,對(duì)引水系統(tǒng)線路布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。BSG水電站引水系統(tǒng)壓力鋼管主管直徑6.7 m,管徑較大、鋼管制安難度大、壓力鋼管施工綜合單價(jià)高。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,通過(guò)優(yōu)化引水系統(tǒng)線路布置,降低了引水系統(tǒng)最高壓力線,縮短了引水線路總長(zhǎng)度,明顯減少了壓力鋼管長(zhǎng)度,節(jié)省工程投資2507萬(wàn)元,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,可為類似引水發(fā)電工程提供借鑒與參考。目前,引水系統(tǒng)兩條隧洞已全部貫通,正在進(jìn)行鋼管安裝及隧洞襯砌混凝土施工,施工進(jìn)展順利。