布桑加水電站樞紐布置設計

孫寶成，王 坤，張 珺，崔 進，王晶晶

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081；2.貴州省水利投資(集團)有限責任公司，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，發源于扎伊爾沙巴高原，贊比亞境內東非大裂谷的高地山區，河流自南向北流入剛果(金)境內，河全長1 800 km，流域內人煙稀少，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，調節能力較小，裝機容量248.4 MW，來水為上游N’Zilo水電站發電尾水。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下泄量與發電機組尾水流量兩部分組成。

布桑加水電站工程任務是發電，總裝機容量240 MW，電站裝機2臺，多年平均發電量13.20億kWh，保證出力126.1 MW，年發電利用小時數5 500 h，水庫總庫容13.58億m3，為多年調節水庫。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，電站預計2020年12月投產發電。

2 水文氣象條件

盧阿拉巴河流域位于非洲大陸，赤道南側，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℃。最大風速15.4 m/s(風向為N)，多年平均風速1.7 m/s。多年平均相對濕度69%，多年平均雷暴日數70 d，多年平均日照時數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入庫沙量為224萬t，多年平均含沙量0.084 kg/m3，根據國內經驗，推懸比取20%，則布桑加壩址多年平均推移質輸沙量為39.8萬t。設計洪水成果見表1。

表1 設計洪水成果表

3 工程地質條件

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地區。地質構造為單斜地層，巖層整體傾向下游偏左岸，產狀變化較大，一般為N10～40°E/NW∠50～70°。地質構造以小斷層、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。地面廠房區覆蓋層包括洪沖積層、崩坡積層及殘坡積層。廠房區主要地層為太古界(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，地質構造以擠壓帶(面)及裂隙為主。

4 壩址、壩型及壩線比選

4.1 壩址選擇

根據工程規模、流域的地形、地貌、地質條件及施工等情況，考慮開發河段水能利用與銜接、水庫淹沒、環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、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條件及規劃指標要求[4]，但下壩址經濟指標、施工條件均優于上壩址，且交通更為便利，優勢較為明顯，經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

結合本工程的地形、地質條件、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條件基本相同，地質條件均適應，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，建基面基礎處理量較大。碾壓重力壩和拱壩方案的施工導流度汛標準相同，均采用全年導流方式，施工導流方案相同。重力壩混凝土量大，水泥運輸量大，考慮到國際工程不可預見因素相對較多，應盡量減少外運材料用量，拱壩較優。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。

綜合地形地質適應性、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的現場查勘，綜合考慮壩址的地形、地質條件，擬定了上、下2個比較壩線。上、下壩線相距93 m左右，地層巖性及構造基本相同，F1斷層在上壩線下游側及局部壩基內揭露，對拱壩壩肩下游邊坡有一定影響，F1斷層在下壩線上游側及壩基范圍內揭露，對拱壩壩肩上游邊坡有一定影響，上、下壩線在地質條件上基本相當。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，同時導流洞長度長約100 m，下壩線略優。上、下兩條壩線采用相同的設計嵌深及一致的拱冠梁剖面，經體型計算，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，根據本工程的地形、地質、水位和泄洪特點，結合壩體結構和樞紐布置等因素，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，規模相差不大，樞紐布置、壩體施工難度方面基本相當，方案3需改建導流洞，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、下游設置二道壩的方式[5]，二道壩規模基本相同，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模基本相當。方案3采用旋流豎井消能，消能型式復雜，泄洪洞出口流速較大，出口水流對岸邊沖刷嚴重。

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作為泄洪系統推薦方案，即2個溢流表孔+2個中孔的布置型式，主要承擔宣泄水庫各種頻率的洪水及放空水庫的任務。各泄洪方案優缺點比較見表2，樞紐布置見圖1。

表2 各泄洪方案優缺點比較表

圖1 布桑加水電站樞紐布置圖

5.2 引水系統選擇

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

方案3工程投資比方案4高，轉速上升率也是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設置調壓室加大了上游調壓室井身的高度，還增加了地面明井及鋼管工程量。通過結構設計，帶調壓室的方案2對比方案4，上游調壓室斷面尺寸相同，但調壓室個數需增加為2個，單個井筒高度也增加8.5 m，調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、機組過渡過程均滿足國內、國際標準；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；考慮到機組運行時，方案1運行較靈活，檢修相對方便，且有利于電網供電的平穩。因此，選定方案1的樞紐布置方式。

6 主要建筑物設計

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、左岸引水系統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定及應力、右岸F1斷層及其分支對右壩肩上游順向邊坡穩定、下泄水流歸槽、工程投資外，還結合現有勘探平硐綜合考慮大壩與引水發電進水口布置協調、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，各工況應力均滿足規范要求，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范要求，拱壩壩肩穩定滿足要求。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，堰頂原點上游設置寬2. 3 m水平段，方便設置表孔檢修門；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。中孔進口設置檢修閘門，孔口尺寸3 m×4.5 m(寬×高)，出口設置弧形工作閘門，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，并在下游設置水墊塘、二道壩及護坦，作為綜合消能措施。對泄洪系統采用Flow-3D軟件進行數值模擬，從模擬結果可知，水舌形態上，表孔水舌和中孔水舌基本不碰撞，不存在水舌對沖現象，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。三維水舌形態見圖3[8]。

圖3 三維水舌形態圖

6.3 引水發電廠房

引水發電系統位于河道左岸，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)。

引水發電系統沿左岸山脊布置，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4臺，單機容量60 MW。廠區樞紐由主機間、安裝間、上游副廠房、尾水平臺、尾水渠等建筑物組成。

7 結 論

(1) 結合布桑加水電站開發利用河段的地形地質條件、樞紐布置條件、交通施工條件、工程投資及運行調度等因素，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、左岸引水系統及地面廠房的樞紐布置方案，該方案安全、經濟、合理[9]。

(2) 通過業主單位、設計單位、建設單位、科研院所與高校的聯合攻關，采用三維有限元、Flow-3D數值模擬、體型優化等方法與手段，最終確定了碾壓混凝土拱壩體型，確保了工程安全、經濟。

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