巴西圣羅克水電項目的主要特征

1 工程概述

在2011年12月舉行的可再生能源特許經營權A-5拍賣會上，圣羅克水電站建造的特許權被授予給了開發商SA圣羅克能源股份公司(S?o Roque Energy SA)。作為特許經營權的所有者，圣羅克能源股份公司負責建造該水電站及其相關設施，反過來，該公司在整個特許經營期將擁有電能銷售權，售價為A-5拍賣會上確定的電價。

巴西電力管理局(ANEEL)批準了該項目的可行性研究報告，這是舉行拍賣會所必須的先決條件。表1為該水電項目的主要技術參數。

表1 圣羅克水電項目技術參數

工程設計公司-SA能源資源工程股份公司(Engevix Engineering SA)負責可行性研究，拍賣結束后，SA能源資源工程股份公司與SA圣羅克能源股份公司簽訂了項目設計施工的工程總承包(EPC)合同，負責方案的初步設計、詳細設計以及項目竣工階段的驗收工作。

初步設計階段又被進一步劃分為以下幾個階段：初步設計階段、輸電線路初步設計階段以及綜合設計階段。

圣羅克水電項目已經通過了可行性研究、初步設計、綜合設計和詳細設計階段。

2 總體設計的優化

2.1 可行性研究

可行性研究結果表明，考慮到社會經濟和環境方面的影響，該項目水庫的正常蓄水位應為高程760 m,而且大壩的壩軸線應布置在圣約翰(S?o Jo?o)河與卡諾阿斯河交匯處上游100 m處，以避免圣約翰達斯帕爾梅拉斯(S?o Jo?o das Palmeiras)地區被淹沒。

圣羅克水電項目將建在卡諾阿斯河上，水電站由一系列綜合建筑物組成，主要用途是發電，并通過一條230kV的輸電線將電送入國家電網。

大壩為碾壓混凝土壩，壩的上游為垂直面，下游面的坡比為1∶0.8。壩頂設計高程為765.50 m，壩頂寬度為 7.8 m；壩體內設置2條排水廊道。碾壓混凝土主壩延伸至兩岸。

壩體上設置有泄洪道，并通過5個閘門來控制，每個閘門寬為 11.8 m，高為14.0 m；泄洪能力按萬年一遇洪水設計，入庫流量為11 952 m3/s(出庫流量為10 603 m3/s)，水庫的最高洪水位為764.81 m。

取水口與右岸碾壓混凝土壩結合在一起，由2個寬為 15.40 m和1個寬為 16.80 m混凝土壩塊組成，沿著壩軸線方向的總寬度為 47.60 m。取水口位于長為145 m的引水渠前面。引水渠下游的輸水系統由3條完全相同的壓力管道組成，每條管道只為一臺機組供水；壓力管道的平均長度為175 m，每條壓力管道管由2條垂直曲線段和一條水平曲線段組成。

在右岸電站廠房下游約1 000 m處設置有一座230 kV的變電站，用來連接電廠與新變電站，新變電站將安裝在坎普斯諾武斯(Campos Novos)-畢沃奇(Bigua?u)輸電線中間，用于將電壓升變至525 kV。

圣約翰河的水流入大壩的下游，因此在可行性研究階段認為不需要設計永久性的生態放水設施。

該電站的總裝機容量為135 MW。

研究論證了實施圣羅克項目的可行性及可靠的實施方案。

2.2 初步設計方案研究

初步設計方案已經提交給ANEEL。在初步設計階段，一些工程研究結果已被具體化，因此可以對可行性研究階段的工程布置進行改進和優化。

優化后，壩型選用碾壓混凝土壩，壩體上游面為垂直面，下游面的坡比為1∶0.75。壩頂高程被提高至766.40 m，壩頂寬度為6 m，壩體內只設置一條排水廊道，兩岸壩肩段為粘土心墻堆石壩。

為了使引水渠更接近河底，對引水渠路線進行了移動，取水口被移至離壩65 m處。壓力管道的長度也由175 m縮短至55 m，這樣可以取消壓力管道的水平曲線段，并將壓力管道的直徑由 4.90 m改為4.50 m。

對電站廠房也進行了優化，與設備的主要生產廠家進行了商議，考慮采用更輕更小的水輪發電機組，且新機組的發電效率和發電量不能變化。這意味著機器的尺寸變小，發電站廠房混凝土的體積也會減少，廠房尺寸由16.8 m 減小為 13.6 m。另外，由于壓力管道的間距減小，因此，對取水口也作了優化。

在所有結構中，泄洪道的變更設計改動最大，對拍賣會公告中公示的設計泄洪能力進行了設計變更。如表1所示，該泄洪道的泄洪能力是按照可能最大洪水(PMF)為13 147 m3/s(下泄流量為12 928 m3/s)而設計，此時水庫的最高洪水位為 765.91 m。在初步設計階段，泄洪道的形式由可行性研究中的5座泄洪閘(每座泄洪閘寬為11.80 m，高為14 m)改為了長為390 m的開敞式溢流壩。對泄洪道下游的消能系統也進行了優化，優化后的消能系統為淹沒式水躍消能形式，以此來最大限度地減少水力侵蝕。

泄洪道的變更涉及到需要將里約·馬隆巴斯的BR-470高速公路橋遷移，并保證該橋在百年一遇的洪水中不會被淹沒。另外，還需要將右岸230 kV變電站遷至電站廠房下游200 m處，該變電站用來連接電廠和一座新的變電站，新變電站將安裝在坎普斯諾武斯至畢沃奇輸電線路上，用于將電壓升高至525 kV。

這些工程布置的變更，使該項目的設計、實施以及施工順序都得到了最優化，同時也使該項目的預算也得到了最優化。對設計方案進行優化以后，項目的常規混凝土及碾壓混凝土的工程量都有所減少。

2.3 初步設計方案的統一

在方案的初步設計階段結束后，投資方認為有必要重新開展現場調查，以對可行性研究成果進行更新和完善。該階段旨在提高初步設計階段中所用數據的可靠性和安全性，并確規定EPC合同中所需要的綜合工程量。

在該階段所開展的現場調查，旨在提高對當地條件及特征的深入了解，以減少相關風險和不確定性因素。這些現場檢測并不是強制性的，不過確實可以有助于減少該項目的風險。

現場調查包括以下幾個要素：

(1) 對該項目附近區域進行地形測量；

(2) 對壩址處的地形及水深進行調查；

(3) 對尾水區進行水文調查；

(4) 對建筑物所在區和采石場區域的地基進行地質調查。

除了現場調查外，還使用二維(RIVER 2D)(和)三維(FLOW 3D)CFD軟件進行了水力學研究。借助于這兩種軟件，可以更精確地估算建筑物(如泄洪道、導流工程、輸水系統以及尾水渠)周邊的水力學現象。利用這些研究成果可以對樞紐建筑物的設計參數進行精確微調。

在對初步設計方案進行統一的過程中所做的補充和優化調整，使工程總體布局與初步設計方案基本上相符合。主要優化變更內容如下。

(1) 由于圣若澤(S?o José)河地區巖石出露較少，對壩軸線進行了適當調整，將引水廊道偏轉了10.7°，并將壩址確定在左岸海拔更高的巖石上。

(2) 對取水口的尺寸也作了優化，由2個寬為13.55 m的側邊塊和一個寬為 13.6 m的中間塊組成，沿大壩方向的總寬度為 40.7 m。

(3) 為提高卡諾阿斯河的泄流量，對尾水渠的開挖工程進行了變更處理，增大了尾水渠與河流交叉口處的尾水出口體型，并抬高了尾水管出口斜坡下游的底部高程。

(4) 由于施工方面的原因，泄洪道的臺階由 0.9 m抬升至 1.2 m。

除了這些變更以外，在統一初步設計方案階段，還考慮到了在施工階段需要增加的一些具體細節內容，例如：對左岸、采石場、土堆和巖石堆等處進行改造，同時還會對施工場地的環境進行改善。

2.4 詳細設計方案

在對方案進行詳細設計之初，即與水輪機制造商進行了協商，并制定了一項關于發電機組的解決方案，使發電機組的裝機容量增加了5.11%。因此，對建筑物的布局重新進行了調整，以適應這些變更后的新條件。主要變更內容歸納如下。

(1) 為適應和維持與水輪機組額定設計流量相同的水頭損失，對輸水系統進行了調整。

(2) 為維持水輪機組額定流量下的下游水位，對尾水渠的長度作了加長處理。

(3) 為了適應新的設備布局，對發電廠房也作了相應調整。

3 結 語

本文介紹了圣羅克水力發電廠的設計方案在工程實施不同階段的演變過程。變更方案設計的主要動機可以歸納為以下幾個方面：新的現場勘查、來自水輪機制造商的最新資料、新的項目設想以及對與項目相關的各類問題作進一步的綜合處理。

為了提高工程的安全性、可靠性和經濟效益，以及盡最大可能地滿足業主的要求，對該工程的設計方案仍在進行不斷的完善和優化。