利比里亞咖啡山水電站修復

咖啡山（Mount Coffee）水電站于1967年正式運行發電，在內戰爆發前，成功為利比里亞提供電力23 a，發電量占全國總電力的20%。

1989～2003年，利比里亞爆發了兩次內戰。第一次內戰早期，咖啡山水電站所有發電機組停止了運行，當時時逢集中強降雨的1990年8月份，由于溢洪閘無人管控，水庫水位持續上漲，最后導致一處壩體潰決，一座長約180 m的土壩被水流沖毀，發電廠房被淹。隨后幾年，水電站所有非嵌入式設備、發電設備和絕大部分的水工鋼結構均遭毀壞。

內戰前，利比里亞國家電力公司（LEC）擁有裝機200 MW，包括水電、重油和柴油發電，但在內戰沖突中利比里亞電力基礎設施遭到破壞。

1 修復過程

咖啡山水電站位于利比里亞首都蒙羅維亞北約25 km處，是一座徑流式電站，主壩為土壩，兩側為弧型閘門溢洪道及3座副壩（即前池壩）。圣保羅河水由前池渠進入取水建筑物，經4條壓力管流向水輪機，通過長800 m的尾水渠流回到下游主河道。

修復項目資金來自歐洲投資銀行，是由德國政府通過德國復興信貸銀行、挪威通過挪威外交部、美國千禧挑戰公司（MCC）及利比里亞政府共同提供的優惠貸款和贈款。

2012年初，挪威外交部要求曼尼托巴水電國際公司（MHI）提供一份重建咖啡山水電站的報告。MHI在利比里亞電力公司內成立了一個半自治的項目籌備組（PIU），代表各利益相關方全權負責項目的重建工作。

PIU組織了項目咨詢國際招標。2013年初，諾普蘭（Norplan）和費希特納（Fichtner）組建的聯合體（JV）中標，負責項目的設計及工程監理。隨后成立了項目專家小組委員會，指導項目工作的開展，并確保工程達到世界級水準。

2014年1月，進場道路、圍堰、營地等前期工程啟動，并于2014年9月份基本完成。前期工作完成后，開展了主溢洪道、土壩、發電廠房、取水建筑物等的前期勘察工作。

2014年9月至2015年5月，西非爆發埃搏拉疫情。期間，該項目的詳勘、研究與采購工作大部分暫停。2015年8月，土建承包商開始清理長滿植被的場地，修建進場道路，開挖探坑，打機鉆孔，地質勘探工作得以重新開展。

修復項目常常面臨著原設計方案意圖和建筑物施工條件不明等問題，咖啡山水電站修復項目所面臨的困難，在于建設資料和運行記錄的缺失，水文、地質、測量資料有限，僅存一套1960年代的招標圖紙、發電廠房的設計草圖以及灌木叢生的壩址。

最初的打算是將電站恢復到戰前的狀態，盡可能提升原有4臺混流式水輪機功率，安裝丟失的水工鋼結構，重建潰決壩段，修復殘存的土壩，恢復土建建筑物。后來在工作中發現，大壩及其附屬建筑物的安全性能也需要提升。原壩只有主溢洪道調節庫水位和泄洪，安裝有高11 m、寬12 m的弧型閘門，而沒有應急溢洪道。除了1990年潰壩事件外，1982年還發生過弧形閘門操作失靈導致的洪水漫頂事件。

新的設計包括：抬高壩頂高程，加固溢洪閘，防止洪水漫頂；為溢洪道閘門安裝動力供應系統，保證閘門啟閉動力冗余；新修建一條無閘應急溢洪道，在溢洪道閘門發生失靈時保障大壩的安全性。通過這些措施，大壩的安全性將得到整體提升。

在國際援助組織的幫助下，利比里亞成功戰勝了埃搏拉疫情，2015年5月埃搏拉風險降到了合適的級別。PIU和工程師團隊的工作重啟，制定了針對疾病爆發而延誤工期的邊設計邊施工措施，計劃在2016年12月達到第一臺水電機組發電的目標。最初承包主合同為4份，為了縮短項目關鍵路徑，將主合同數量增加到6份。

至2015年8月底，6家承包商均進場：福伊特（Voith）水電公司（德國）為發電設備商；唐納斯（Dawnus）國際有限公司（英國）為土建承包商；安德里茨（Andriz）水電公司（澳大利亞）為水工鋼結構商；國家承包有限公司（沙特）為變電站承包商；艾爾泰爾線（Eltel）路公司（瑞典）為線路承包商；PSM聯營體（利比里亞）為營地建造承包商和營地服務提供商。

2016年8月，水電運行國際公司（瑞士）承簽了運維及培訓合同，這是項目簽訂的第7份主要承包合同。眾多合同在管理上形成了相當多的合同界面，為此需采取新的設計方案來修復電站，使項目管理進一步復雜化。

2 發電量大幅增加

原咖啡山水電站機組運行水位18～23 m，由于混流式水輪機通常不適合在這樣的低水頭下運行，為機組升級帶來了挑戰。最初的評估也包括研究安裝其他類型發電機組的可行性，如轉槳式水輪機、阿基米德螺旋水輪機。與混流式水輪機相比，其他水輪機的運行環境更加靈活，在較大范圍運行水頭下輸出功率更穩定；而混流式水輪機的功率曲線則很陡。安裝其他水輪機需要對混凝土結構進行較大的改造，盡管具有理論上的可行性，但在規定的工期內并且在不增加投資的情況下，額外的工作并不具有實際價值。

該項目的主要制約因素是原有混凝土結構、水道走向、水力參數、水輪機組等均已限定，因此只能進行有限的結構改造。

福伊特公司承擔水道的計算流體動力學（CFD）分析，以優化新水輪機的水力設計。目的在于確定新水輪機導向葉片和轉輪的最佳水力設計，同時調整已有的固定導片及尾水管。

結果表明，調整固定導片邊緣會大大減少水頭損失，從而提高水輪機的功率輸出。針對尾水管調整研究了兩種方案：①調整尾水管錐管，使來自轉輪的水流平順通過；②研究調整底板的可行性，減少分流和回流。結果顯示，對尾水管錐管進行任何調整都不能增加水輪機功率。

水輪機最終設計與原有建筑物相匹配，調整固定導片和懸掛轉輪使得水輪機流量增大。盡管幾何邊界條件不佳，但利用計算流體動力學進行現代水輪機設計可以大幅提高水輪機輸出功率。升級后每臺發電機組容量為22 MW，而原1、2號機組僅為15 MW，3、4號機組僅為17 MW，電站總容量增加了38%。

發電機組主要參數如下：

渦輪轉速 143 r/min

額定水頭 23 m

額定功率 22 MW

單位最大流量 108 m3/s

機組功率的提升也具有挑戰性。原1、2號發電機組和3、4號發電機組的基座高程和間距不同，基座錨固力不能承受發電機組升級后增加的荷載。原電站建設竣工圖已丟失，因此決定重新布置發電機座中的鋼筋。首先拆除機座大量的混凝土，使用了高壓水的“水力拆除”技術，這項技術可以拆除混凝土而保留其中的鋼筋，后期澆注混凝土時將新老鋼筋搭接，使所有發電機都安裝在同一高程。

電站廠房內同時開展幾項工作是有困難的，適當隔離水力拆除場地，以及廠房內同時開展工作的承包商間的密切協作，保證了施工的順利進行。

發電機組改造是項目中最富挑戰性的工作，但也僅僅是重建工作的一部分，進水口和廠房內所有非嵌入式設備都已被拆除，需要重新安裝攔污柵、進水閘門、尾水閘門、廠房起重機和電站的其他附屬設備。而為了維持原電站機組運行，原進水閘門已用作隔斷。新的進水閘門設計采用了液壓自動關閉系統，極大提高了發電機組運營的安全性，因為原電站沒有安裝進水球閥，改造時也沒有足夠的安裝空間。

3 土建設計與大壩安全

2015年，國際大壩委員會斯塔萬格會議明確強調，需要進一步認識機械操控溢洪道的風險。當大壩臨界安全運行完全依賴于機械系統時，應認識到其帶來的高風險，并應在新設計中加以考慮。如咖啡山水電站項目，在內戰期間前池壩的潰決就是這種初始設計導致的直接后果。

最終分析認為，在主壩南側建造與自然河道相連的固定反弧溢洪道是最理想的解決方案。溢洪道開挖出來的石料可用作土壩的防沖和拋石，減少了開挖棄料堆渣的費用。綜合各種因素，最終決定使用砌石混凝土作為建筑材料。

大壩砌石混凝土技術綜合了古代人工建筑工藝和最新設計方法，具有投資低、耐久性好、強度高、施工便利等優點，很適合于咖啡山水電站高2 m、長220 m的應急溢洪道建設。

設計增加的應急溢洪道，可以將“通常原因”溢洪道閘門失靈導致的潰壩洪水風險從1 a一遇降低到50 a一遇，還能額外增加溢洪道泄洪能力。溢洪道閘門完全開啟時，能將極端洪水過洪能力從13 750 m3/s提高到17 350 m3/s，便于可能的最大洪水通過改進后的溢洪道系統。

大壩加高和潰決壩段的重建同樣面臨挑戰。評估發現，部分壩段壩體狀況良好，而其他壩段在洪水漫頂事件中被大面積沖蝕或形成大量沖刷坑。另外，部分壩段具有不同的典型橫截面，大部分壩肩形狀不規則。據此，復建工程包括壩坡整修、防滲料填補、反濾料填筑、防沖和拋石、排水系統增設、安全監測。而對現有土壩的設計，一定程度上受限于現有壩體狀況，但對潰壩段則可以優化筑壩材料和資源。

4 結語

1989～2003年兩次內戰以及2014埃搏拉疫情的爆發，對利比里亞能源和全國經濟產生了重大的負面影響。

利比里亞電力公司的發電量為38 MW，主要是重油或柴油發電，但在傳輸過程中電量損失率近40%，主要是人為竊電；2017年初，電網高峰容量14～20 MW（1990年之前為200 MW，而人口已經從200萬增長到了500萬）；利比里亞是世界上電價最高的國家之一（雖然最近電價下降到0.39美元/kWh），卻也是全球最窮的國家之一（根據世界銀行2014年的統計，人均國民生產總值在185個國家中排名第181）。

咖啡山水電站的重建將有效降低利比里亞發電公司的發電成本，進而降低電價，更能為持續增長的用戶所接受。

第1臺修復的機組于2016年12月開始發電，所有施工預計于2017年10月完成。截至2017年2月15日，1、2號機組已累計發電14 GWh。

咖啡山水電站的修復是一個富有挑戰性的項目，多學科交叉、多種文化交融（20多個國家的工作人員參加），各方齊心協力，取得了巨大成功。

該項目的成功實施有助于進一步推動當地水電開發，如規劃的上游維亞（Via）水庫。如果維亞水庫建成，咖啡山水電站的4臺徑流式機組將可以全年同時發電，滿足屆時對電力的需求。目前，在最干旱的1～3月份，河水流量完全不能滿足機組運行的需要。

高峰期咖啡山項目施工人數超過1 000人，其中有650名利比里亞人，極大推動了周邊地區經濟的發展，從蒙羅維亞到電站25 km的進場道路兩旁，大量民房和商業建筑涌現，沿公路架設了66 kV輸電線路。

項目所應用的技術不僅包括精心的設計方案和制造工藝（如發電機組），還有用于應急溢洪道施工的勞動密集型技術和傳統工藝。

可以預見，在將來的很多年里，經修復改造的咖啡山水電站將為利比里亞提供可持續的清潔能源，并將為這個國家的重建做出重大貢獻。