巴西卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯電站樞紐的開發

［巴西］ F.P.阿吉拉爾 等

巴拉杜斯科凱魯斯(Barra dos Coqueiros)和卡蘇(Ca?u)電站位于巴西戈亞斯(Goiás)州的卡舒埃拉(Cachoeira Alta)和卡蘇市境內，距巴西利亞約520 km。樞紐由Gerdau Acos Longos AS公司開發。巴拉杜斯科凱魯斯電站于2010年6月投運，1個月后，卡蘇電站也投入運行。這兩座電站共同組成了克拉魯(Claro)河上的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯樞紐。

克拉魯河流域匯集了來自卡亞波(Caiapó)山脈的水，其中也包括來自巴拉那伊巴(Paranaíba)河和巴拉那(Paraná)河流域的水。工程所在區域地勢起伏，絕大部分為高地，海拔650～1000 m，河流在沖刷過程中也造成了一些地勢較低區域，這些區域的海拔在350～650 m之間。

1 工程研究

對該流域開展的初步研究工作始于1991年，完成于1995年。當時，戈亞斯州確定了一些可以開發、且裝機容量為100 MW左右的電站工程，并初步確定了這些工程主要建筑物的基本技術參數。

20世紀90年代末，經研究，曾擬定了一份韋爾迪(Verde)河和克拉魯河流域內可以實施開發和建壩的壩址清單。這項研究結果表明，兩個流域具有豐富的水力蘊藏量，如果對其實施開發，可修建12座電能成本-效益指數誘人且環境影響極小的水電站。

2000～2001年，Engevix工程公司對這些擬建電站的技術、經濟和環境可行性開展了研究，研究結果促成了現在的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯綜合樞紐工程。在開展這項研究的過程中，還確定了這兩座電站的主要參數、壩址和壩軸線。而且，當時所進行的工程和環境可行性研究結果，也證實了工程將產生的經濟效益以及非常有限的環境影響。

2006～2007年，Engevix公司開展了與該樞紐基本設計有關的研究工作。在這一階段，新的研究工作內容包括可行性研究基礎上的有效信息分析、地形測量、對壩址處開展補充性地質-巖土勘測工作等。在該階段的研究工作中獲得的新信息，更新了早期的地質和水文研究數據資料。

在該階段，還進行了能量特性的聯合評估，以便確定各電站擬裝機組的理想數量。評估結果表明，巴拉杜斯科凱魯斯電站適合布置2臺45 MW的機組(優于安裝3臺30 MW機組的方案)。對于卡蘇電站來說，安裝2臺32.5 MW的機組要優于安裝3臺21.67 MW的機組方案。同時，還證實了機組的安裝數量不會影響系統運行的可靠性，這就進一步確定了樞紐的保證出力。

2 壩址及其地質特性

工程壩址所在地區的地質為含有S?o bento界白堊紀-侏羅紀的Serra Geral巖層的玄武巖，且嵌入巴拉那河流域。巖石層的特點是出現連續的、近乎水平的玄武巖層，帶有相互陷套的裂口，并夾有充滿了方解石、非晶質的石英石以及玉髓的氣孔-杏仁狀的玄武巖。

確定有幾條寬度為幾毫米的傾斜裂縫和近乎豎直的裂縫，它們與近乎是水平狀的不連續的巖層相連。這些裂縫充滿著碳酸鹽和石英，其余裂縫的表面上有氧化層和/或縫內充填有富含鐵的高嶺土，厚度為幾厘米。玄武巖層又分為致密玄武巖、氣孔-杏仁狀玄武巖和玄武巖質裂口。

在開挖巖石時，需要對巖層的地質形狀、劇烈破裂、與礦物變化有關的復雜不連續系統、各種地質力學特性的玄武巖和壩基上近乎水平狀的節理斷層進行不同方式的處理。與巴拉杜斯科凱魯斯電站壩址處的巖石層的地質力學特性相比，卡蘇電站壩址巖石層的地質力學特性更為不利，因為它更靠近巖層邊沿。

整個深度范圍內的所有土壤剖面，被確定為具有玄武巖質富含鐵的高嶺土殘積土壤，且疊加了厚度約為2 m的微紅富鐵高嶺土崩積層，包括玄武巖塊和紅土化的碎片。沖積層的沉積物為帶有幾層灰色的淤泥-粘土質的物質。

由于地質力學抗力小，且易于風化，不可能使用玄武巖層作為骨料和/或堆石保護，因此，必須將這些物質從混凝土結構的基礎上移走。

3 電站的主要特性

3.1 卡蘇電站

該電站裝機容量為65 MW，毛水頭為28.2 m，大壩高40 m，長625 m，左岸壩段為混合剖面。右岸壩段長243 m，布置有RCC壩、溢洪道、進水口，截流系統采用長170 m的均質壩封堵。

卡蘇電站水庫正常最高水位為477 m。水庫水面面積 16.68 km2，庫容 2.2745億m3。

溢洪道具有克里杰(Creager)流體動力水流曲線，溢流堰頂高程為 464.55 m。溢洪道由3孔組成，每孔高 12.45 m，寬 9.2 m，由弧形泄洪閘門控制。孔口尺寸按泄洪流量2521 m3確定，確保水位不超過設定的水庫水位。

曾經將施工期間的導流建筑物設想為一條隧洞。然而，在對建筑物的布置進行優化設計時，采用了另一比選方案，即在位于溢洪道旁的重力壩上，設計了4條5×4 m(H×W)由閘門控制的渠道。

電站與進水建筑物連為一體。電站廠房內裝備了2臺轉槳式水輪機及混凝土蝸殼，每臺水輪機的額定功率為33.16 MW，與36.1 MVA的三相發電機連接。

3.2 巴拉杜斯科凱魯斯電站

該電站裝機容量為90 MW，位于卡蘇電站下游30 km處，毛水頭為37.4 m，壩高41 m，壩長855 m，由均質土壩和RCC壩段組成。左岸壩段長200 m，布置的主要建筑物有溢洪道、進水口和RCC鎖壩。

巴拉杜斯科凱魯斯電站水庫正常高水位為448 m，水庫水面的表面積為 25.55 km2，庫容為 3.478億m3。

溢洪道壩段由具有克里杰流體動力水流曲線的混凝土重力壩組成，堰頂高程為435.55 m，溢洪道由3孔組成，高 12.45 m，寬 9.2 m，各斷面由弧形泄洪閘門控制。設計泄洪流量2626 m3，不超過水庫水位。壩剖面有稍許的變化，允許組合高程較低的RCC建筑物，這樣，在泄洪閘門出現故障或洪峰超過預期流量時，可以增加電站的安全性。采用消力池消能，消力池接收來自挑流鼻坎的射流。

導流系統包括4條尺寸為5 m×4 m(H×W)的導流渠，位于3孔溢洪道中2孔的下面。

電站與進水口各自獨立，裝備有2臺轉槳式水輪機，每臺水輪機配有鋼蝸殼，額定功率為45.91 MW，與額定功率50 MVA的三相發電機連接。

3.3 變電站

由于兩座電站的實際位置相距較近，因此，對于與巴西國家電網(SIN)的電氣連接系統進行了重新評估。起初的設想是使兩座電站單獨聯網，然而，經認真研究，發現較好的方案應該是在兩座電站與國家電網互聯之前，先通過一座集合變電站將兩座電站連接在一起。而且，從技術和經濟的角度來看，這種連接方法比較有利。

4 機電設備

在開展可行性研究和前期設計過程中，確定了兩座電站各自最適合的機電設備。卡蘇電站選用立軸轉槳式水輪機和混凝土蝸殼;巴拉杜斯科凱魯斯電站選用相同類型的水輪機，但其蝸殼為鋼質。

兩座電站的設備特性和電氣系統的設計確定為:每座電站各自安裝的2臺發電機組采用共同的母線，并連接到一條13.8 kV的母線上，該母線通過離相母線與升壓變壓器相連。該升壓變壓器將電壓升高到230 kV，并通過單回路專用輸電線，將各電站與電網相連。

這種母線布置方式的主要特性是，可以提高電站的短路水平，但是在機電設備的選型階段，則要求倍加謹慎，以確保選用的設備性能符合先前的計算水平。

13.8 kV的母線系統通過變壓器和安裝在發電機中性點上的電阻接地，以便在15 A相-地電流發生故障時，能夠限制短路電流。

至于機械的輔助系統，設計有封閉的冷卻水系統，以防止能與鐵發生反應的細菌在管道和設備內繁殖，以及用于防止熱交換器和管道在多年后出現堵塞。

這些措施有助于確保電站高效、安全的長時期地運行。當然，這些也得益于對河水各項指標進行的分析，分析結果表明，水中有許多細菌，在與管道中的鐵接觸時，這些細菌具有很高的繁殖潛力。因此，采用封閉式系統的布置方案被認為是極其適宜且非常正確。

5 最終設計

在2008～2010年的最終設計階段，對兩座電站進行了水工模型試驗，試驗結果顯示，需要對電站的布局做出相應的調整。在卡蘇電站壩的下游左側，必須設置一座巖石水利丁壩，以阻止壩基以下回流的直接作用。因為這種回流可能是由溢洪道的泄流引起的。

包括兩座電站廠房在內的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯工程的所有設計工作，同時由位于巴西利亞(土木設計)和弗洛里亞諾波利斯((Florianópolis)機電設計)的Engevix辦公室承擔。由于涉及多個學科，因此，需要在配合和接口規劃方面給予特別的關注，且各團隊之間的合作應相當協調。

工程設計使用了CAD 3D技術，使工程的各個部分都能滿足可視化的要求。這樣有助于防止土木和機電結構之間可能發生的問題，還可以對所有的獨立設計部分完成最終的集成。

除了3D計算模擬工具，在工程設計過程中，還使用了工程管理軟件以協調文件的生成、管理和共享，促進各團隊之間的相互合作。

在兩間設計辦公室之間，可以通過internet，借助于軟件，實現文件實時共享。一份特定文件一旦完成，其他相關的設計團隊和卡蘇、巴拉杜斯科凱魯斯電站工程施工現場的團隊即可以立即獲取。

該工具還為機電設備供應商的設計與土木工程部分的整體設計之間提供了必要的協作方式。

這些措施的采用，有助于節省工程設計階段所需的時間，避免對設計的各個部分進行反復修改，因此加快了工程進度，減少了工程成本。

6 結語

使用有效的現代化計算技術，可以獲得用于各種工程技術問題的解決辦法，為同步開發卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯兩座電站創造了條件，而且從技術和經濟角度均可獲得積極的成果，且環境影響小。

在工程管理方面采用創新的管理方法，在工程設計方面采用先進高效的現代化計算工具，可以將工程開發過程中所涉及的所有人力、財力資源在時間和空間上進行優化整合。