剛果（金）BSG水電站引水系統優化設計

孔宇田，余 揚，王 坤，袁應飛

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081）

1 概述

BSG（Busanga）水電站位于剛果（金）南部地區盧阿拉巴省,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,是該峽谷河段規劃四個梯級電站（即N’Zilo I、N’zilo II、N’Seke和Busang）的最后一個梯級。

水庫正常蓄水位882.00 m、死水位870.00 m,設計洪水位（P=0.1%）882.35 m,校核洪水位（P=0.01%）883.21 m,總庫容13.58 億m3,為多年調節水庫。電站裝機容量240 MW,多年平均發電量13.31 億kW·h,保證出力125.9 MW,發電利用小時數5547 h。工程樞紐主要由碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統、左岸引水系統及地面廠房等建筑物組成。

引水系統位于河道左岸,由岸塔式進水口、引水隧洞、壓力鋼管組成。電站采用兩洞四機單元供水方式,1#、2#機組引水線路總長577.20 m,3#、4#機組引水線路總長609.01 m,單機引用流量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,根據圍巖分類不同,襯砌厚度0.6 m~1.0 m。1#引水隧洞（1#、2#機組）總長255.43 m,2#引水隧洞（3#、4#機組）總長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 條斜井段均長約55.7 m,內徑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 機的布置型式,2 個主管下平段均長約117 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72 m,管壁厚度28 mm~32 mm；1#~4#支管均長約85 m,內徑均為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Y型岔管連接,岔管鋼襯平均厚34 mm。

2 引水發電系統優化設計

BSG水電站在可行性研究階段結合廠址位置,進行上、下廠址比較,經技術經濟比較,推薦采用左岸上廠址地下廠房引水發電系統布置方案。

詳細可研階段,根據可研階段研究成果和剛果民主共和國能源水利部對可行性研究報告的主要審查意見,結合法國Tractebel Engineering咨詢公司對水工建筑物的可研咨詢意見,擬定了上、下兩個廠址進行引水發電系統比較分析,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、下廠址均進行了左右岸引水發電系統布置對比研究,經技術經濟比較,推薦采用左岸上廠址地面廠房引水發電系統布置方案[1]。

詳細可研階段引水系統推薦采用左岸兩洞四機單元供水布置方式,壓力水道由上平段、豎井段和下平段組成,本著投資技術經濟效果最佳原則,施工圖階段進一步開展了引水道豎井改斜井的優化設計[2~4]。

2.1 引水線路布置原則

（1）盡量避開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、構造斷裂面及軟弱帶的走向應有較大的夾角,其夾角不宜小于30°。

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

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

（4）對于有壓隧洞,要根據各種水位和流量數據計算沿隧洞全長的壓力坡線,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,巖石風化較強烈。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口及大部分線路區。

引水線路沿線為單斜地層,巖層產狀變化較大,其中Ar1-1地層巖層產狀多為N10~30°E/NW∠50~70°,Ar1-2地層巖層產狀多為N10~20°E/NW∠60~70°。構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,施工期間可能出現滲水、滴水現象。

引水隧洞最大埋深約170 m,線路沿線圍巖以弱風化~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,隧洞圍巖整體穩定性較好,具備成洞條件,頂拱及邊墻可能出現局部掉塊現象[1]。

2.3 引水線路布置優化設計

根據詳細可研階段引水系統布置,施工圖階段對引水系統開展的優化設計研究主要為：保持引水系統線路平面布置及特征洞徑不變,綜合考慮水力過渡過程計算、隧洞埋深、結構安全、鋼管布置等,將線路縱向布置豎井段優化調整為斜井。引水系統平面布置見圖1。

圖1 引水系統平面布置圖

以3#機組引水系統布置為例,引水系統縱向豎井布置見圖2,上平段為隧洞、壓力鋼管始于豎井上彎段。

圖2 優化前3#機組引水系統縱向豎井布置圖

引水系統縱向斜井布置見圖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 優化后3#機組引水系統縱向斜井布置圖

以3#機組引水系統布置為例,優化前后引水線路特性對比表,見表1。

表1 引水線路優化前后主要特性對比表

通過引水線路優化前后特性對比,斜井方案與豎井方案在線路總長度與鋼管總長度上均有較大優勢。

2.4 調節保證計算對比分析

根據兩種方案引水線路布置,以3#機組引水發電系統為例,分別研究其水力過渡過程,見表2。

表2 引水線路優化前后主要水力特性對比表

通過引水線路優化前后水力特性對比,兩方案布置均不需要設置上游調壓井,總水頭損失相當,對發電量影響較小,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,引水系統最高壓力線豎井方案在斜井方案之上,見圖2、圖3,最高壓力線影響引水隧洞襯砌及壓力鋼管的壁厚,進而影響引水系統投資。

2.5 投資對比分析

通過前述比較分析,豎井方案壓力鋼管長度較斜井方案長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高,且豎井方案引水系統總體內水壓力較斜井方案大,經壓力鋼管、岔管抗內外水壓力結構計算確定鋼管壁厚,結合隧洞襯砌施工等工程量,對兩個方案的投資進行對比,見表3。

表3 引水系統主要工程量及投資對比表（不含進水口）

通過對比分析,斜井方案明顯減少了壓力鋼管的制安工程量,節省投資約2507 萬元,具有顯著的經濟效益。

3 結語

根據BSG水電站工程特點,設計人員在施工圖設計階段,對引水系統線路布置進行優化設計研究。BSG水電站引水系統壓力鋼管主管直徑6.7 m,管徑較大、鋼管制安難度大、壓力鋼管施工綜合單價高。在保證結構安全的前提下,通過優化引水系統線路布置,降低了引水系統最高壓力線,縮短了引水線路總長度,明顯減少了壓力鋼管長度,節省工程投資2507萬元,取得了較好的經濟效益,可為類似引水發電工程提供借鑒與參考。目前,引水系統兩條隧洞已全部貫通,正在進行鋼管安裝及隧洞襯砌混凝土施工,施工進展順利。