蘇阿皮蒂水利樞紐布置及優化

王美齋，陳興亮，邵 穎，羅 暢

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐位于“西非水塔”幾內亞西部孔庫雷河中游，距下游已建成凱樂塔水電站6 km，距首都科納克里135 km，其水庫總庫容74.89億m3，總裝機容量450 MW，多年平均年發電量20.16億kW·h，為Ⅰ等大(1)型工程。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120 m，大壩按1000年一遇洪水設計，5000年一遇洪水校核。正常蓄水位210 m，設計洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，校核洪水位樞紐總下泄流量4 370 m3/s，溢流壩下泄流量2 410 m3/s，泄洪底孔泄量1 956 m3/s。樞紐建筑物主要包括兩岸擋水壩段、發電引水壩段、導流底孔壩段、泄洪底孔壩段、溢流壩段，及位于左岸發電引水壩段的壩后發電廠房。

孔庫雷河干流總長約328 km，流域總控制面積約16 800 km2，凱樂塔水電站以上平均降雨量約為2 000 mm，工程區年均氣溫26.6 ℃，極端最高溫度約44 ℃，極端最低溫度約8℃；多年平均風速約2.4 m/s，瞬時最大風速約28 m/s，多年平均年最大風速21 m/s；多年平均蒸發量約1 600 mm。徑流年際變化大，特雷么累站最大年徑流量為167億m3，最小年徑流量為57.6億m3，最大年徑流為最小年徑流的2.9倍，年徑流變差系數Cv為0.26；徑流年內分配不均勻，雨季和旱季相差懸殊，7月～11月徑流量占全年徑流總量的90%，其中8月、9月徑流量占全年徑流量的55%。流域洪水年際變化相對較小，主要發生在8月，其次為9月和7月，洪水過程為矮胖型，歷時長，一次洪水歷時長達90 d。多年平均輸沙量100萬m3。

壩址區河谷相對開闊，形態呈不對稱的“U”形；兩岸山體雄厚，谷坡寬緩，平均海拔250～400 m，相對高差200 m左右，自然坡度一般為15°～17°，局部達到40°，地貌上屬于低山丘陵地區。河谷底寬200～350 m，河水面寬170～310 m。地層巖性主要為第四系殘坡積物、沖洪積物、古生代輝綠巖和奧陶系(粉)砂巖。兩岸岸坡第四系殘坡積物(Qel+dl)覆蓋層最大厚度47.10 m。奧陶系(粉)砂巖主要為薄層鈣質砂巖和極薄層泥質粉砂巖，互層分布，并以泥質粉砂巖為主、巖體完整性及力學性能較差，變形模量低，有連續性較好且順層分布的軟弱夾層和泥化夾層，粉砂巖發育水平泥質條帶，泥質含量高，遇水軟化，大壩抗滑穩定問題突出。河床輝綠巖裸露，頂部強風化卸荷帶層厚3m左右，受風化卸荷及水的作用，發育延伸較長的緩傾角及豎向裂隙，有的脫離母巖成為孤石；弱風化卸荷帶層厚3～10m，巖體完整或較完整，裂隙較發育，局部發育，裂隙多閉合或充填石英；微風化卸荷輝綠巖巖體完整，裂隙不發育，局部較發育。

2 樞紐布置選擇

2.1 壩址選擇

蘇阿皮蒂水利樞紐可研階段在距凱樂塔水電站上游約14 km的河段內擬定2個壩址進行比較，1號壩址位于凱樂塔水電站上游14 km處，2號壩址位于凱樂塔水電站上游6 km處。1號壩址較2號壩址損失了10 m水頭且出線長度增加了約7 km，從充分利用發電水頭、減少電站出線長度、方便與凱樂塔水電站聯合運行管理等方面綜合分析，最終選擇2號壩址即蘇阿皮蒂壩址為推薦壩址。

2.2 壩型選擇

可研階段，根據地形地質條件擬定碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型進行了比選，通過分析比較，面板堆石壩與重力壩方案相比，引水洞、地下廠房、導流洞等大量的地下洞室結構潛在地質風險，導流費用高，料場無用料剝離量大，工期長，綜合效益不占優勢，最終推薦碾壓混凝土重力壩方案。

2016年1月與幾內亞政府簽署項目建設合同后，在可研階段壩址壩型確定的基礎上，隨著地質勘察工作地深入，綜合地形地質條件、建筑物的布置條件、技術可靠性、經濟合理性、施工方便性等因素，對碾壓混凝土重力壩方案、碾壓混凝土重力壩+兩岸粘土心墻堆石壩方案和碾壓混凝土重力壩+兩岸截滲墻方案進行了深入比選，盡管碾壓混凝土重力壩+兩岸粘土心墻堆石壩方案相比于碾壓混凝土重力壩方案節省投資，技術安全相對可靠，但從工期、履約和變更難度等因素考慮，維持碾壓混凝土重力壩方案。

2.3 樞紐布置

可研階段碾壓混凝土重力壩方案，壩軸線長1 148 m，從左岸至右岸依次為左岸擋水壩段、引水壩段、溢流壩段、底孔壩段、右岸擋水壩段，長分別為377、103、231、51、386 m。合同簽訂后，為方便施工及運行期的調度管理，將泄洪底孔和導流底孔壩段調整至左岸發電引水壩段和溢流壩段之間；同時為減少左岸廠房邊坡開挖，將發電引水壩段右移，盡可能將發電引水壩段、導流底孔、泄洪底孔壩段和溢流壩段緊湊布置于河床，優化調整后的方案壩線總長1 164 m，共分為52壩段，樞紐布置自左至右分別為左岸擋水壩段423.45 m、發電引水壩段97 m、導流底孔壩段60 m、泄洪底孔壩段25 m、溢流壩段173.55 m和右岸擋水壩段385 m。大壩為全斷面碾壓混凝土重力壩，發電廠房位于左岸發電引水壩段壩后。

3 建筑物布置設計

3.1 擋水建筑物

擋水壩段總長808.45 m，左岸擋水壩段長423.45 m(其中94.02 m坐落于極薄泥質粉砂巖/砂巖水平互層地基上，最大壩高64.9 m)，共18個壩段；右岸擋水壩段長385 m(其中177 m坐落于極薄泥質粉砂巖/砂巖水平互層地基上，最大壩高82.5 m)，共16個壩段。砂巖擋水壩段最大壩高82.5 m，上游壩坡豎直，下游壩坡在203.56 m高程以上豎直，以下坡比為1∶0.80；右岸在144.5～175 m高程建基面下游設置混凝土齒槽，齒槽在建基面處寬11.75～17 m，底部寬6.5 m，深5～10 m；壩后建基面144.5～195.5 m高程回填5～16 m厚的混凝土和0～21 m厚的堆石。輝綠巖擋水壩段最大壩高117.5 m，上游壩坡在150.00 m高程以上豎直，130～150 m高程間坡比為1∶0.1，130 m高程以下為1∶0.2；下游壩坡在202.15 m高程以上豎直，以下坡比為1∶0.70。

3.2 泄水建筑物

3.2.1溢流壩段

溢流壩段在設計階段全面對無閘門自由溢流方案和有閘門控制方案進行了比較，盡管有閘門控制方案具備便于控制調節水庫蓄水位，減少水庫放空時間從而為大壩檢修維護創造時間，以及降低壩高，減少投資等優點，但同時也存在運行期洪水管理調度相對復雜，運行防洪風險相對較大，考慮當地運維管理水平的實際情況，最終采用無閘門自由溢流方案。

溢流壩段布置于主河床位置，通過不同溢流寬度的施工便利性和經濟性比選，壩段總長確定為173.55 m，共分8個壩段，溢流凈寬169.55 m，兩側設2 m寬的導墻。溢流堰采用無閘門控制開敞式表孔溢流堰，堰型采用WES型實用堰。溢流堰堰頂高程210 m，堰面采用WES型冪曲線。溢流壩消能方式為臺階+底流消能，臺階高0.9 m，寬0.648 m，坡比為1∶0.72，坡面臺階與下游護坦采用無圓弧連接，護坦頂高程109.0 m，厚1.5 m，護坦與下部巖體設直徑Φ32 mm的錨固鋼筋，入巖7.0 m，間排距1.5 m。模型試驗說明，在常年水位、設計水位和校核水位工況下運行時，臺階溢流壩的消能率均超過70%，消能效果較好。

3.2.2泄洪底孔壩段

通過對壩身無壓泄水孔方案和壩身有壓泄水孔方案的比較，壩身無壓泄水孔方案盡管施存在大壩施工相互干擾較大、啟閉機室環境較差、運維交通不便等不利方面，但該方案相對于壩身有壓泄水孔方案，投資較省，經過綜合考慮，最終推薦壩身無壓泄水孔方案。

27號泄流底孔壩段布置于導流底孔壩段與溢流壩段之間，壩段長25.00 m，壩頂高程215.50 m，壩頂寬20.40 m，壩基最低開挖高程96.8 m。泄流底孔分為2孔，進口體形為橢圓曲線，進口底坎高程130 m，進口段后設置5.0 m×7.0 m(寬×高)事故檢修門和5.0 m×6.0 m(寬×高)弧形工作門各一道，壓坡段位于弧形閘門上游，坡度為1∶4.5。事故檢修門與弧形閘門之間布置鋼襯。鋼襯與混凝土之間的縫隙的滲水用型鋼集水槽收集后通過排水管流向下部的基礎廊道。工作弧門后設置1.2 m高的跌坎，邊墻兩側各設0.5 m的突擴，跌坎內埋設兩個直徑0.9 m的通氣鋼管摻氣，跌坎后為底坡1∶10泄槽，泄槽長64.59 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半徑28 m，挑流鼻坎高程為125.958 m。

3.3 發電引水建筑物

發電引水壩段布置在左岸河床，總長97 m，按5個壩段布置，4個引水口壩段均為19 m，河床擋水壩段為21 m，4條引水管道分別為4臺機組供水。引水口壩段頂高程215.50 m，壩基底高程103.00 m，壩高112.50 m，頂寬30.63 m，上游壩坡在125.00 m高程以上直立，在125.00 m高程以下坡比為1∶0.20，下游壩坡在184.903 m高程以上豎直，在184.903 m高程以下坡比為1∶0.70。為充分利用進水口前的空間，在部分攔污柵被污物堵塞時，仍可利用臨近的攔污柵過水，互為備用，在每個進水口前設置通倉式攔污柵，防止污物和漂浮物進入進水口。為保證水流平順漸變，喇叭形進水口為橢圓曲線，其后設置檢修門和事故門，閘門孔口的面積約等于其后的壓力管道的面積。每個引水壩段(23 m)順水流方向依次布置3孔4.2 m×12.0 m(寬×高)攔污柵，1孔4.5 m×7.0 m(寬×高)檢修門和1孔4.5 m×6.5 m(寬×高)事故門，引水發電鋼管直徑為5.8 m。

3.4 發電廠房

發電廠房布置在引水壩段下游，廠房機組縱軸線距壩軸線約121 m，基坑開挖最大深度約30 m，基礎坐落在微風化輝綠巖上。電站尾水通過約590 m長的尾水渠排至下游河床。為滿足廠區防洪及交通需要，廠區平臺高程確定為119.70 m。電站為壩后式地面廠房，采用“一機一管”的布置方式，總長120.0 m，總寬47.3 m，總高約50.20 m。機組安裝高程105.0 m，機組的中心間距為19 m。電站總裝機容量為450 MW，安裝4臺單機容量112.50 MW的立軸混流式水輪發電機組。

主要建筑物包括主廠房、上游副廠房、下游副廠房、尾水建筑物等。主廠房由主機間和安裝間組成，垂直于引水鋼管布置，安裝間布置在主機間的左側。4臺主變壓器露天布置在廠房上游側，GIS布置在上游一次副廠房二層，出線場布置在上游一次副廠房屋頂，空調機組和水力機械輔助系統設備在下游側副廠房，中控室及辦公房間布置安裝間上游側二次副廠房。為了方便機組安裝、檢修及設備裝卸，在主廠房內安裝有一臺200 t+200 t/40 t雙小車電動雙梁橋式起重機，跨度19.0m。為了滿足中小部件的頻繁起吊的需要，在橋機大梁下部裝設一臺10 t電動葫蘆及吊鉤。為了滿足GIS設備運輸、安裝及檢修的需要，在GIS室內安裝有一臺16 t電動單梁橋式起重機，跨度10.0 m。為了尾水閘門啟閉，尾水平臺安裝有一臺63 t單向門機。廠房主入口位于安裝間下游側的邊墻上，主廠房右側山墻以及下游副廠房的側墻上均有疏散通道。

3.5 導流底孔

導流底孔壩段長60 m，共4孔，一壩一孔，單個壩段長15 m，布置于泄洪底孔壩段與廠房壩段之間，2個低位導流底孔布置于泄洪底孔的左側，進口高程113.50 m，2個高位導流底孔布置于發電引水口的右側，進口高程119.00 m，孔口尺寸為8.00 m×10.00 m。壩基開挖最低高程103.00 m，最大壩高112.5 m，建基面位于微風化輝綠巖巖體上。上游壩坡在140.00 m高程以上豎直，以下為坡比1∶0.2，下游壩坡在201.50m高程以上豎直，以下為坡比1∶0.70。

4 結 語

蘇阿皮蒂水利樞紐工程的樞紐布置及各建筑物的形式，綜合考慮了地形地質條件、施工便利性、經濟性、工期和國際工程的現狀，將泄水、發電引水建筑物集中緊湊布置于主河床，碾壓混凝土擋水壩段連續分置于兩岸壩肩，各建筑物的形式布置合理，在保證各建筑物功能的前提下，方便了大壩快速化施工，為如期實現合同工期內的項目建設提供了有利條件。截止到2019年8月已累計完成混凝土澆筑量310萬m3，占大壩混凝土總量的89%，提前實現初期下閘蓄水目標，工程進展順利。