巴西卡苏和巴拉杜斯科凯鲁斯电站枢纽的开发

［巴西］ F.P.阿吉拉尔 等

巴拉杜斯科凯鲁斯(Barra dos Coqueiros)和卡苏(Caçu)电站位于巴西戈亚斯(Goiás)州的卡舒埃拉(Cachoeira Alta)和卡苏市境内，距巴西利亚约520 km。枢纽由Gerdau Acos Longos AS公司开发。巴拉杜斯科凯鲁斯电站于2010年6月投运，1个月后，卡苏电站也投入运行。这两座电站共同组成了克拉鲁(Claro)河上的卡苏和巴拉杜斯科凯鲁斯枢纽。

克拉鲁河流域汇集了来自卡亚波(Caiapó)山脉的水，其中也包括来自巴拉那伊巴(Paranaíba)河和巴拉那(Paraná)河流域的水。工程所在区域地势起伏，绝大部分为高地，海拔650～1000 m，河流在冲刷过程中也造成了一些地势较低区域，这些区域的海拔在350～650 m之间。

1 工程研究

对该流域开展的初步研究工作始于1991年，完成于1995年。当时，戈亚斯州确定了一些可以开发、且装机容量为100 MW左右的电站工程，并初步确定了这些工程主要建筑物的基本技术参数。

20世纪90年代末，经研究，曾拟定了一份韦尔迪(Verde)河和克拉鲁河流域内可以实施开发和建坝的坝址清单。这项研究结果表明，两个流域具有丰富的水力蕴藏量，如果对其实施开发，可修建12座电能成本-效益指数诱人且环境影响极小的水电站。

2000～2001年，Engevix工程公司对这些拟建电站的技术、经济和环境可行性开展了研究，研究结果促成了现在的卡苏和巴拉杜斯科凯鲁斯综合枢纽工程。在开展这项研究的过程中，还确定了这两座电站的主要参数、坝址和坝轴线。而且，当时所进行的工程和环境可行性研究结果，也证实了工程将产生的经济效益以及非常有限的环境影响。

2006～2007年，Engevix公司开展了与该枢纽基本设计有关的研究工作。在这一阶段，新的研究工作内容包括可行性研究基础上的有效信息分析、地形测量、对坝址处开展补充性地质-岩土勘测工作等。在该阶段的研究工作中获得的新信息，更新了早期的地质和水文研究数据资料。

在该阶段，还进行了能量特性的联合评估，以便确定各电站拟装机组的理想数量。评估结果表明，巴拉杜斯科凯鲁斯电站适合布置2台45 MW的机组(优于安装3台30 MW机组的方案)。对于卡苏电站来说，安装2台32.5 MW的机组要优于安装3台21.67 MW的机组方案。同时，还证实了机组的安装数量不会影响系统运行的可靠性，这就进一步确定了枢纽的保证出力。

2 坝址及其地质特性

工程坝址所在地区的地质为含有São bento界白垩纪-侏罗纪的Serra Geral岩层的玄武岩，且嵌入巴拉那河流域。岩石层的特点是出现连续的、近乎水平的玄武岩层，带有相互陷套的裂口，并夹有充满了方解石、非晶质的石英石以及玉髓的气孔-杏仁状的玄武岩。

确定有几条宽度为几毫米的倾斜裂缝和近乎竖直的裂缝，它们与近乎是水平状的不连续的岩层相连。这些裂缝充满着碳酸盐和石英，其余裂缝的表面上有氧化层和/或缝内充填有富含铁的高岭土，厚度为几厘米。玄武岩层又分为致密玄武岩、气孔-杏仁状玄武岩和玄武岩质裂口。

在开挖岩石时，需要对岩层的地质形状、剧烈破裂、与矿物变化有关的复杂不连续系统、各种地质力学特性的玄武岩和坝基上近乎水平状的节理断层进行不同方式的处理。与巴拉杜斯科凯鲁斯电站坝址处的岩石层的地质力学特性相比，卡苏电站坝址岩石层的地质力学特性更为不利，因为它更靠近岩层边沿。

整个深度范围内的所有土壤剖面，被确定为具有玄武岩质富含铁的高岭土残积土壤，且叠加了厚度约为2 m的微红富铁高岭土崩积层，包括玄武岩块和红土化的碎片。冲积层的沉积物为带有几层灰色的淤泥-粘土质的物质。

由于地质力学抗力小，且易于风化，不可能使用玄武岩层作为骨料和/或堆石保护，因此，必须将这些物质从混凝土结构的基础上移走。

3 电站的主要特性

3.1 卡苏电站

该电站装机容量为65 MW，毛水头为28.2 m，大坝高40 m，长625 m，左岸坝段为混合剖面。右岸坝段长243 m，布置有RCC坝、溢洪道、进水口，截流系统采用长170 m的均质坝封堵。

卡苏电站水库正常最高水位为477 m。水库水面面积 16.68 km2，库容 2.2745亿m3。

溢洪道具有克里杰(Creager)流体动力水流曲线，溢流堰顶高程为 464.55 m。溢洪道由3孔组成，每孔高 12.45 m，宽 9.2 m，由弧形泄洪闸门控制。孔口尺寸按泄洪流量2521 m3确定，确保水位不超过设定的水库水位。

曾经将施工期间的导流建筑物设想为一条隧洞。然而，在对建筑物的布置进行优化设计时，采用了另一比选方案，即在位于溢洪道旁的重力坝上，设计了4条5×4 m(H×W)由闸门控制的渠道。

电站与进水建筑物连为一体。电站厂房内装备了2台转桨式水轮机及混凝土蜗壳，每台水轮机的额定功率为33.16 MW，与36.1 MVA的三相发电机连接。

3.2 巴拉杜斯科凯鲁斯电站

该电站装机容量为90 MW，位于卡苏电站下游30 km处，毛水头为37.4 m，坝高41 m，坝长855 m，由均质土坝和RCC坝段组成。左岸坝段长200 m，布置的主要建筑物有溢洪道、进水口和RCC锁坝。

巴拉杜斯科凯鲁斯电站水库正常高水位为448 m，水库水面的表面积为 25.55 km2，库容为 3.478亿m3。

溢洪道坝段由具有克里杰流体动力水流曲线的混凝土重力坝组成，堰顶高程为435.55 m，溢洪道由3孔组成，高 12.45 m，宽 9.2 m，各断面由弧形泄洪闸门控制。设计泄洪流量2626 m3，不超过水库水位。坝剖面有稍许的变化，允许组合高程较低的RCC建筑物，这样，在泄洪闸门出现故障或洪峰超过预期流量时，可以增加电站的安全性。采用消力池消能，消力池接收来自挑流鼻坎的射流。

导流系统包括4条尺寸为5 m×4 m(H×W)的导流渠，位于3孔溢洪道中2孔的下面。

电站与进水口各自独立，装备有2台转桨式水轮机，每台水轮机配有钢蜗壳，额定功率为45.91 MW，与额定功率50 MVA的三相发电机连接。

3.3 变电站

由于两座电站的实际位置相距较近，因此，对于与巴西国家电网(SIN)的电气连接系统进行了重新评估。起初的设想是使两座电站单独联网，然而，经认真研究，发现较好的方案应该是在两座电站与国家电网互联之前，先通过一座集合变电站将两座电站连接在一起。而且，从技术和经济的角度来看，这种连接方法比较有利。

4 机电设备

在开展可行性研究和前期设计过程中，确定了两座电站各自最适合的机电设备。卡苏电站选用立轴转桨式水轮机和混凝土蜗壳;巴拉杜斯科凯鲁斯电站选用相同类型的水轮机，但其蜗壳为钢质。

两座电站的设备特性和电气系统的设计确定为:每座电站各自安装的2台发电机组采用共同的母线，并连接到一条13.8 kV的母线上，该母线通过离相母线与升压变压器相连。该升压变压器将电压升高到230 kV，并通过单回路专用输电线，将各电站与电网相连。

这种母线布置方式的主要特性是，可以提高电站的短路水平，但是在机电设备的选型阶段，则要求倍加谨慎，以确保选用的设备性能符合先前的计算水平。

13.8 kV的母线系统通过变压器和安装在发电机中性点上的电阻接地，以便在15 A相-地电流发生故障时，能够限制短路电流。

至于机械的辅助系统，设计有封闭的冷却水系统，以防止能与铁发生反应的细菌在管道和设备内繁殖，以及用于防止热交换器和管道在多年后出现堵塞。

这些措施有助于确保电站高效、安全的长时期地运行。当然，这些也得益于对河水各项指标进行的分析，分析结果表明，水中有许多细菌，在与管道中的铁接触时，这些细菌具有很高的繁殖潜力。因此，采用封闭式系统的布置方案被认为是极其适宜且非常正确。

5 最终设计

在2008～2010年的最终设计阶段，对两座电站进行了水工模型试验，试验结果显示，需要对电站的布局做出相应的调整。在卡苏电站坝的下游左侧，必须设置一座岩石水利丁坝，以阻止坝基以下回流的直接作用。因为这种回流可能是由溢洪道的泄流引起的。

包括两座电站厂房在内的卡苏和巴拉杜斯科凯鲁斯工程的所有设计工作，同时由位于巴西利亚(土木设计)和弗洛里亚诺波利斯((Florianópolis)机电设计)的Engevix办公室承担。由于涉及多个学科，因此，需要在配合和接口规划方面给予特别的关注，且各团队之间的合作应相当协调。

工程设计使用了CAD 3D技术，使工程的各个部分都能满足可视化的要求。这样有助于防止土木和机电结构之间可能发生的问题，还可以对所有的独立设计部分完成最终的集成。

除了3D计算模拟工具，在工程设计过程中，还使用了工程管理软件以协调文件的生成、管理和共享，促进各团队之间的相互合作。

在两间设计办公室之间，可以通过internet，借助于软件，实现文件实时共享。一份特定文件一旦完成，其他相关的设计团队和卡苏、巴拉杜斯科凯鲁斯电站工程施工现场的团队即可以立即获取。

该工具还为机电设备供应商的设计与土木工程部分的整体设计之间提供了必要的协作方式。

这些措施的采用，有助于节省工程设计阶段所需的时间，避免对设计的各个部分进行反复修改，因此加快了工程进度，减少了工程成本。

6 结语

使用有效的现代化计算技术，可以获得用于各种工程技术问题的解决办法，为同步开发卡苏和巴拉杜斯科凯鲁斯两座电站创造了条件，而且从技术和经济角度均可获得积极的成果，且环境影响小。

在工程管理方面采用创新的管理方法，在工程设计方面采用先进高效的现代化计算工具，可以将工程开发过程中所涉及的所有人力、财力资源在时间和空间上进行优化整合。