喀麥隆比尼瓦拉克水電站引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

鮑世虎，韓華超

(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江?杭州?311122)

1 工程概況

喀麥隆比尼瓦拉克(Bini A Warak)水電站位于喀麥隆北部阿達(dá)馬瓦省(Adamawa province)的比尼(Bini)河上，主要任務(wù)是發(fā)電。水庫面積約82 km2，正常蓄水位為1 046.00 m，相應(yīng)總庫容6.032 億m3，死水位為1 033 m，死庫容0.705億m3。裝機(jī)容量75 MW (3×25 MW)，額定引用流量為41.7 m3/s (3×13.9 m3/s)，額定水頭為206 m。

電站采用引水式開發(fā)，永久建筑物主要包括：攔河壩、引水系統(tǒng)、地面發(fā)電廠房和開關(guān)站等。引水系統(tǒng)沿河道左岸布置，采用多級(jí)供水的形式，建筑物種類和數(shù)量均較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜，存在諸多設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)；尤其是水力學(xué)方面，如建筑物間有壓流和無壓流銜接問題復(fù)雜，多個(gè)水力機(jī)械設(shè)備聯(lián)動(dòng)情況下水力過渡過程問題復(fù)雜等。

項(xiàng)目位于非洲，工程咨詢單位主要是葡萄牙和巴西等國家的企業(yè)，根據(jù)其咨詢要求，項(xiàng)目必須采用國際公認(rèn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲標(biāo)準(zhǔn)或美國標(biāo)準(zhǔn)等。

2 工程地質(zhì)

發(fā)電引水系統(tǒng)攔河壩至調(diào)壓室段地形平緩，坡度2°～7°，調(diào)壓室至發(fā)電廠房段為斜坡，坡度7°～30°，沿線覆蓋層廣泛分布，以坡積粉質(zhì)粘土和殘積粉質(zhì)粘土為主，土體抗沖刷能力弱，滲透性為微～弱，下伏第三系玄武巖、前寒武系花崗巖。其中，引水明渠段覆蓋層厚0.8～5.3 m，最厚可達(dá)9.0 m。壓力前池段和壓力鋼管緩坡段覆蓋層厚度較厚，可達(dá)9.0 m。壓力鋼管斜坡段坡積物較薄。

3 引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 引水系統(tǒng)布置

引水系統(tǒng)長約7 335 m，主要由引水進(jìn)水口、引水鋼管、消力池、引水明渠、壓力前池、壓力進(jìn)水口、壓力鋼管和調(diào)壓室等組成(見圖1)。

引水進(jìn)水口布置在攔河壩引水壩段，靠主河床左岸，設(shè)1道攔污柵和1道平板事故閘門；攔污柵孔口尺寸為4.7 m × 5.5 m×2(寬×高×孔)，事故閘門孔口尺寸為3.6 m × 2.9 m (寬×高)。

引水鋼管布置在引水進(jìn)水口后，長約230 m，包括主管、岔管(一分三)和支管。主管和支管直徑分別為3.6、1.8 m。為靈活控制下泄流量，引水鋼管下游接蝶閥和錐閥，分別為檢修閥和工作閥。

消力池位于錐閥出口，用以消能、平順?biāo)?。消力池由池身段和連接段組成，分別長27.35、60 m。池身段為矩形斷面，由中隔墻分隔為3池，分別對(duì)應(yīng)于3個(gè)錐閥，斷面尺寸為4.7 m × 7.9 m(寬×高)。池身尾部設(shè)1道檢修閘門。連接段連接消力池和引水明渠，斷面由矩形漸變?yōu)樘菪巍?/p>

消力池后接引水明渠，引水明渠沿1 030 m等高線布置，長約4 808 m，縱向底坡0.008 5 %，梯形斷面，底寬5.2 m，側(cè)坡1∶2。坡頂高程為1 030.50 m，左、右側(cè)坡頂設(shè)公路。明渠采用C25素混凝土襯砌，厚12 cm(見圖2)。

壓力前池由前池連接段和池身段組成，邊墻為扶壁式擋土墻。前池連接段連接引水明渠和池身段，斷面由梯形漸變?yōu)榫匦?，長48.15 m，縱向底坡1∶5。壓力前池池身段長14.3 m，斷面尺寸為26.4 m ×15.0 m(寬×高)，底板高程為1 015.50 m。

壓力進(jìn)水口設(shè)在壓力前池末端，為塔式進(jìn)水口，順?biāo)鞣较蛞来卧O(shè)1道攔污柵、1道檢修閘門和1道工作閘門。攔污柵孔口尺寸為5.0 m ×5.65 m×2(寬×高×孔)。檢修閘門和工作閘門孔口尺寸均為3.0 m×6.5 m(寬×高)。

壓力鋼管為明鋼管，沿廠房后邊坡地形鋪設(shè)，長約2 287 m，遇轉(zhuǎn)彎段或者每隔150 m設(shè)置鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩間布置混凝土支墩。鋼管直徑為3.5 m，采用500 MPa及600 MPa級(jí)鋼材，厚度12～40 mm。壓力鋼管末端布置一分三的岔管，岔管與支管、發(fā)電機(jī)組連接，支管直徑1.6 m。鋼管中心線高程1 021.25～806.50 m(見圖3)。

調(diào)壓室布置于壓力鋼管中段，距離壓力進(jìn)水口約1 100 m，采用阻抗式布置。調(diào)壓室基座為鋼筋混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)，井身采用鋼襯鋼筋混凝土復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，典型斷面為圓形，直徑為11.0 m，高23.05 m。阻抗孔直徑為2.0 m，高2.15 m。

3.2 引水建筑物設(shè)計(jì)

本電站通過水庫引水發(fā)電，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，有壓隧洞引水發(fā)電的方案施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、工程投資大，推薦采用引水明渠和壓力鋼管相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。推薦方案主要利用河道左岸沿線平緩的地形布置引水明渠，并在廠房上游的斜坡布置壓力鋼管集中水頭、取水發(fā)電。

3.2.1 引水進(jìn)水口、引水鋼管和消力池

引水進(jìn)水口布置在攔河混凝土重力壩上，臨近沖沙底孔布置，確保進(jìn)水口“門前清”。進(jìn)水口底板高程為1 026.40 m，沖沙底孔高程為1 015.00 m。進(jìn)水口實(shí)際淹沒水深為3.40 m，高于戈登公式計(jì)算的最小淹沒水深。

引水進(jìn)水口為有壓引水，引水明渠為無壓引水，通過引水鋼管連接。引水鋼管承受內(nèi)水壓力較小，最大約22 m，鋼管壁厚滿足規(guī)范規(guī)定的最小構(gòu)造厚度即可。

為控制明渠水流穩(wěn)定，引水鋼管末端設(shè)錐閥，控制下泄流量。同時(shí)，為了平順?biāo)?，避免明渠?nèi)水位波動(dòng)紊亂和對(duì)明渠造成沖刷破壞，在錐閥出口設(shè)置了消力池。錐閥可消能，消力池主要作為輔助的消能設(shè)施(關(guān)于消力池內(nèi)的水流流態(tài)，設(shè)計(jì)中通過水力學(xué)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)成果見第4節(jié))。另外，可根據(jù)機(jī)組的實(shí)際引用流量調(diào)整錐閥的開度、精準(zhǔn)控制下泄流量，為了聯(lián)動(dòng)控制，錐閥與各發(fā)電機(jī)組一一對(duì)應(yīng)，均為3臺(tái)。

3.2.2 引水明渠

引水明渠斷面大，縱向底坡小，水頭損失小，沿地形等高線布置，兼顧挖方和填方。本工程中，引水明渠采用半挖半填的方式，且較大部分為挖方。

引水明渠縱坡和斷面設(shè)計(jì)主要依據(jù)水力學(xué)計(jì)算，計(jì)算包括明渠過流能力和水面線計(jì)算等。本工程中，引水明渠長度超過3 km，為長引水渠道，對(duì)于順長渠道，可按均勻流計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際過流能力為42.6 m3/s。水面線按明渠恒定非均勻流計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，在3臺(tái)機(jī)額定工況下，沿線水深為3.70～3.81 m。若機(jī)組突然增加負(fù)荷或者甩負(fù)荷時(shí)，明渠、壓力前池、調(diào)壓室、廠房段的引水系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的非恒定流形式，需采用數(shù)值仿真模擬軟件進(jìn)行計(jì)算。為保證明渠內(nèi)水流不發(fā)生漫頂事故，在明渠首部和尾部均設(shè)置了側(cè)向溢流堰。

引水明渠采用天然地基及填筑土堤作為防滲體基本可行，但土堤耐久性稍差，在長期浸水情況下，可能出現(xiàn)滲透破壞的現(xiàn)象。為提高明渠耐久性，采用素混凝土襯砌作為防滲體[1]。襯砌厚12 cm，大于規(guī)范規(guī)定的最小厚度8 cm(流速小于3 m/s)[2]，并兼顧減小渠道滲流量、提高結(jié)構(gòu)耐久性和方便施工等因素。為防渠道在放空檢修期間外水壓力對(duì)襯砌造成抬動(dòng)破壞，襯砌底部設(shè)置有碎石墊層，厚20 cm。為避免明渠土堤滲透失穩(wěn)，在碎石墊層下部鋪設(shè)1層土工布。在明渠襯砌外設(shè)排水花管，便于將滲漏水及時(shí)排泄至堤外。

3.2.3 壓力前池和壓力進(jìn)水口

壓力前池布置在明渠末端，往下游走即為緩坡、陡坡，前池布置在山脊頂部較為合適。前池段地面高程為1 029.00～1 025.00 m，前池需要在開挖后形成矩形箱式結(jié)構(gòu)。

壓力前池和壓力進(jìn)水口上游為無壓引水，下游為有壓引水，須滿足水流的平順過渡，進(jìn)水口底板高程主要由淹沒水深來確定。前池正常蓄水位為1 029.00 m，底板高程為1 015.50 m，進(jìn)水口實(shí)際淹沒水深為4.09 m，高于戈登公式計(jì)算的最小淹沒水深。

壓力前池和引水明渠可整體概化為水庫，機(jī)組負(fù)荷變化過程中，水位變幅較小，前池的容積無需過大，可通過水力過渡過程計(jì)算復(fù)核。

3.2.4 壓力鋼管

壓力鋼管沿地形布置，分為上平段、斜坡管段及下平段，分別長約1 146.0、1 121.3 m和20 m。上平段布置于寬緩山脊上，縱向地形平坦。斜坡管段沿斜坡布置，地形起伏，坡度7°～30°。管線在平面上設(shè)置3個(gè)轉(zhuǎn)彎，立面上，鋼管根據(jù)實(shí)際地形下降并設(shè)置轉(zhuǎn)角。

壓力鋼管采用分段式布置，由一系列鎮(zhèn)墩、支墩支撐及固定，每個(gè)鎮(zhèn)墩下游側(cè)設(shè)置波紋管伸縮節(jié)。每隔150 m左右或者在轉(zhuǎn)彎部位設(shè)1個(gè)鎮(zhèn)墩，轉(zhuǎn)彎段轉(zhuǎn)彎半徑為20 m，沿線共布設(shè)14個(gè)鎮(zhèn)墩；鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)為強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化玄武巖，基礎(chǔ)需固結(jié)灌漿和布置插筋。鎮(zhèn)墩間每隔8～10 m設(shè)1個(gè)支墩，支墩坐落在持力土層上。結(jié)構(gòu)計(jì)算主要包括鎮(zhèn)墩、支墩穩(wěn)定計(jì)算和鋼管應(yīng)力計(jì)算。墩、支墩穩(wěn)定計(jì)算主要復(fù)核結(jié)構(gòu)尺寸，并可通過調(diào)整伸縮節(jié)位置和墩、支墩基礎(chǔ)高程等對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，如在平坡段，將伸縮節(jié)設(shè)置在鎮(zhèn)墩間管道中點(diǎn)，鎮(zhèn)墩體積可大幅縮小[3]。鋼管應(yīng)力計(jì)算中，支撐環(huán)和支座設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，可通過三維有限元軟件進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化調(diào)整。

3.2.5 調(diào)壓室

根據(jù)水流慣性時(shí)間常數(shù)[Tw]=2～4 s的要求[4]，引水系統(tǒng)有必要設(shè)置調(diào)壓室。調(diào)壓室布置在壓力管道平坡段，只能采用地面調(diào)壓塔的形式。調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積按托馬準(zhǔn)則計(jì)算[4]，穩(wěn)定斷面面積僅為12.4 m2。通過水力過渡過程計(jì)算分析后擬定調(diào)壓室斷面尺寸，實(shí)際為圓形，直徑為11.0 m。除此之外，調(diào)壓室阻抗孔尺寸、底板高程和頂部高程等均根據(jù)水力過渡過程計(jì)算成果確定。由于調(diào)壓室高約30.5 m，內(nèi)水壓力高且在機(jī)組增、減負(fù)荷過程中水位變幅大，調(diào)壓室筒壁采用鋼筋混凝土和鋼板內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)，總厚度為1.0 m。

4 水工模型試驗(yàn)

本工程中，引水鋼管出口采用錐閥精準(zhǔn)控制下泄流量，同時(shí)兼有部分消能的功能。為進(jìn)一步消能、改善水流流態(tài)，在錐閥出口設(shè)置了消力池。消能效果通過水力學(xué)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)研究主要包括：觀測(cè)、量測(cè)與分析消力池內(nèi)水流流速、壓力、流態(tài)等各項(xiàng)水力參數(shù)，并包括下游明渠的水流流速、流態(tài)等。水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸邽?∶18，引水鋼管、錐閥和消力池等采用有機(jī)玻璃制作，明渠采用水泥砂漿抹制。

成果顯示，水流經(jīng)錐閥入射消力池，水流為淹沒水躍、底流消能。消力池內(nèi)水流平穩(wěn)，水面波動(dòng)小，消能效果較好(見圖4)。消力池內(nèi)水面線較平順，水面波動(dòng)較小，其中，消力池末端水面波動(dòng)約在3 cm以內(nèi)，引水明渠首端水面波動(dòng)約在2 cm以內(nèi)。下游河道流速分布較均勻，流速不大于1 m/s。最小流速發(fā)生在消力池出口斷面，面流速約為0.45 m/s。引水明渠斷面各斷面流速分布較均勻，約為0.9～1 m/s。

5 引水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算

受工程區(qū)實(shí)際地形控制，電站調(diào)壓室布置在壓力管道中部的緩坡段上，其上、下游鋼管分別長約1.1、1.1 km，距發(fā)電機(jī)組較遠(yuǎn)。引水系統(tǒng)包括多個(gè)水力機(jī)械設(shè)備，設(shè)備間須統(tǒng)一聯(lián)合調(diào)度，確保引水明渠和壓力前池間水位變化平順。因此， 電站水力過渡過程較為復(fù)雜[5_8]。

根據(jù)引水系統(tǒng)水力學(xué)特性，研究了兩種水力調(diào)節(jié)模式：一是前池調(diào)節(jié)模式，通過調(diào)節(jié)機(jī)組出力確保前池水位基本不變，電站出力由錐閥下泄流量控制，調(diào)節(jié)過程簡單，但調(diào)節(jié)時(shí)間長。二是消力池水位調(diào)節(jié)模式，通過調(diào)節(jié)錐閥開度確保消力池水位基本不變，調(diào)節(jié)過程復(fù)雜，但可滿足快速調(diào)節(jié)的需求。電站在喀麥隆的電網(wǎng)中占比大，推薦采用消力池水位調(diào)控模式。

相比常規(guī)電站，水力過渡過程計(jì)算中，壓力前池水位的波動(dòng)是研究重點(diǎn)。壓力前池內(nèi)的水位波動(dòng)必須控制在合理區(qū)間，甩負(fù)荷時(shí)不漫頂，增負(fù)荷時(shí)不拉空。經(jīng)計(jì)算，最低水位為1 028.4 m，對(duì)應(yīng)工況為：上游正常運(yùn)行水位1 029.00 m，下游最低尾水位807.63 m，3臺(tái)機(jī)組同時(shí)開機(jī)增加至滿負(fù)荷。最高水位為1 029.8 m，對(duì)應(yīng)工況為：3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩額定出力的工況。

其他成果為：

6 結(jié) 語

本工程位于非洲喀麥隆中北部，為典型的熱帶草原氣候，全年呈現(xiàn)明顯的雨季和旱季，降雨量分配不均勻。根據(jù)工程實(shí)際地形、地質(zhì)條件攔河建壩，水庫庫容大，為年調(diào)節(jié)水庫。本工程為引水式水電站，采用多級(jí)供水形式。引水系統(tǒng)建筑物種類多，各建筑物間的水力銜接設(shè)計(jì)是本工程的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。