巴西圣罗克水电项目的主要特征

1 工程概述

在2011年12月举行的可再生能源特许经营权A-5拍卖会上，圣罗克水电站建造的特许权被授予给了开发商SA圣罗克能源股份公司(São Roque Energy SA)。作为特许经营权的所有者，圣罗克能源股份公司负责建造该水电站及其相关设施，反过来，该公司在整个特许经营期将拥有电能销售权，售价为A-5拍卖会上确定的电价。

巴西电力管理局(ANEEL)批准了该项目的可行性研究报告，这是举行拍卖会所必须的先决条件。表1为该水电项目的主要技术参数。

表1 圣罗克水电项目技术参数

工程设计公司-SA能源资源工程股份公司(Engevix Engineering SA)负责可行性研究，拍卖结束后，SA能源资源工程股份公司与SA圣罗克能源股份公司签订了项目设计施工的工程总承包(EPC)合同，负责方案的初步设计、详细设计以及项目竣工阶段的验收工作。

初步设计阶段又被进一步划分为以下几个阶段：初步设计阶段、输电线路初步设计阶段以及综合设计阶段。

圣罗克水电项目已经通过了可行性研究、初步设计、综合设计和详细设计阶段。

2 总体设计的优化

2.1 可行性研究

可行性研究结果表明，考虑到社会经济和环境方面的影响，该项目水库的正常蓄水位应为高程760 m,而且大坝的坝轴线应布置在圣约翰(São João)河与卡诺阿斯河交汇处上游100 m处，以避免圣约翰达斯帕尔梅拉斯(São João das Palmeiras)地区被淹没。

圣罗克水电项目将建在卡诺阿斯河上，水电站由一系列综合建筑物组成，主要用途是发电，并通过一条230kV的输电线将电送入国家电网。

大坝为碾压混凝土坝，坝的上游为垂直面，下游面的坡比为1∶0.8。坝顶设计高程为765.50 m，坝顶宽度为 7.8 m；坝体内设置2条排水廊道。碾压混凝土主坝延伸至两岸。

坝体上设置有泄洪道，并通过5个闸门来控制，每个闸门宽为 11.8 m，高为14.0 m；泄洪能力按万年一遇洪水设计，入库流量为11 952 m3/s(出库流量为10 603 m3/s)，水库的最高洪水位为764.81 m。

取水口与右岸碾压混凝土坝结合在一起，由2个宽为 15.40 m和1个宽为 16.80 m混凝土坝块组成，沿着坝轴线方向的总宽度为 47.60 m。取水口位于长为145 m的引水渠前面。引水渠下游的输水系统由3条完全相同的压力管道组成，每条管道只为一台机组供水；压力管道的平均长度为175 m，每条压力管道管由2条垂直曲线段和一条水平曲线段组成。

在右岸电站厂房下游约1 000 m处设置有一座230 kV的变电站，用来连接电厂与新变电站，新变电站将安装在坎普斯诺武斯(Campos Novos)-毕沃奇(Biguaçu)输电线中间，用于将电压升变至525 kV。

圣约翰河的水流入大坝的下游，因此在可行性研究阶段认为不需要设计永久性的生态放水设施。

该电站的总装机容量为135 MW。

研究论证了实施圣罗克项目的可行性及可靠的实施方案。

2.2 初步设计方案研究

初步设计方案已经提交给ANEEL。在初步设计阶段，一些工程研究结果已被具体化，因此可以对可行性研究阶段的工程布置进行改进和优化。

优化后，坝型选用碾压混凝土坝，坝体上游面为垂直面，下游面的坡比为1∶0.75。坝顶高程被提高至766.40 m，坝顶宽度为6 m，坝体内只设置一条排水廊道，两岸坝肩段为粘土心墙堆石坝。

为了使引水渠更接近河底，对引水渠路线进行了移动，取水口被移至离坝65 m处。压力管道的长度也由175 m缩短至55 m，这样可以取消压力管道的水平曲线段，并将压力管道的直径由 4.90 m改为4.50 m。

对电站厂房也进行了优化，与设备的主要生产厂家进行了商议，考虑采用更轻更小的水轮发电机组，且新机组的发电效率和发电量不能变化。这意味着机器的尺寸变小，发电站厂房混凝土的体积也会减少，厂房尺寸由16.8 m 减小为 13.6 m。另外，由于压力管道的间距减小，因此，对取水口也作了优化。

在所有结构中，泄洪道的变更设计改动最大，对拍卖会公告中公示的设计泄洪能力进行了设计变更。如表1所示，该泄洪道的泄洪能力是按照可能最大洪水(PMF)为13 147 m3/s(下泄流量为12 928 m3/s)而设计，此时水库的最高洪水位为 765.91 m。在初步设计阶段，泄洪道的形式由可行性研究中的5座泄洪闸(每座泄洪闸宽为11.80 m，高为14 m)改为了长为390 m的开敞式溢流坝。对泄洪道下游的消能系统也进行了优化，优化后的消能系统为淹没式水跃消能形式，以此来最大限度地减少水力侵蚀。

泄洪道的变更涉及到需要将里约·马隆巴斯的BR-470高速公路桥迁移，并保证该桥在百年一遇的洪水中不会被淹没。另外，还需要将右岸230 kV变电站迁至电站厂房下游200 m处，该变电站用来连接电厂和一座新的变电站，新变电站将安装在坎普斯诺武斯至毕沃奇输电线路上，用于将电压升高至525 kV。

这些工程布置的变更，使该项目的设计、实施以及施工顺序都得到了最优化，同时也使该项目的预算也得到了最优化。对设计方案进行优化以后，项目的常规混凝土及碾压混凝土的工程量都有所减少。

2.3 初步设计方案的统一

在方案的初步设计阶段结束后，投资方认为有必要重新开展现场调查，以对可行性研究成果进行更新和完善。该阶段旨在提高初步设计阶段中所用数据的可靠性和安全性，并确规定EPC合同中所需要的综合工程量。

在该阶段所开展的现场调查，旨在提高对当地条件及特征的深入了解，以减少相关风险和不确定性因素。这些现场检测并不是强制性的，不过确实可以有助于减少该项目的风险。

现场调查包括以下几个要素：

(1) 对该项目附近区域进行地形测量；

(2) 对坝址处的地形及水深进行调查；

(3) 对尾水区进行水文调查；

(4) 对建筑物所在区和采石场区域的地基进行地质调查。

除了现场调查外，还使用二维(RIVER 2D)(和)三维(FLOW 3D)CFD软件进行了水力学研究。借助于这两种软件，可以更精确地估算建筑物(如泄洪道、导流工程、输水系统以及尾水渠)周边的水力学现象。利用这些研究成果可以对枢纽建筑物的设计参数进行精确微调。

在对初步设计方案进行统一的过程中所做的补充和优化调整，使工程总体布局与初步设计方案基本上相符合。主要优化变更内容如下。

(1) 由于圣若泽(São José)河地区岩石出露较少，对坝轴线进行了适当调整，将引水廊道偏转了10.7°，并将坝址确定在左岸海拔更高的岩石上。

(2) 对取水口的尺寸也作了优化，由2个宽为13.55 m的侧边块和一个宽为 13.6 m的中间块组成，沿大坝方向的总宽度为 40.7 m。

(3) 为提高卡诺阿斯河的泄流量，对尾水渠的开挖工程进行了变更处理，增大了尾水渠与河流交叉口处的尾水出口体型，并抬高了尾水管出口斜坡下游的底部高程。

(4) 由于施工方面的原因，泄洪道的台阶由 0.9 m抬升至 1.2 m。

除了这些变更以外，在统一初步设计方案阶段，还考虑到了在施工阶段需要增加的一些具体细节内容，例如：对左岸、采石场、土堆和岩石堆等处进行改造，同时还会对施工场地的环境进行改善。

2.4 详细设计方案

在对方案进行详细设计之初，即与水轮机制造商进行了协商，并制定了一项关于发电机组的解决方案，使发电机组的装机容量增加了5.11%。因此，对建筑物的布局重新进行了调整，以适应这些变更后的新条件。主要变更内容归纳如下。

(1) 为适应和维持与水轮机组额定设计流量相同的水头损失，对输水系统进行了调整。

(2) 为维持水轮机组额定流量下的下游水位，对尾水渠的长度作了加长处理。

(3) 为了适应新的设备布局，对发电厂房也作了相应调整。

3 结 语

本文介绍了圣罗克水力发电厂的设计方案在工程实施不同阶段的演变过程。变更方案设计的主要动机可以归纳为以下几个方面：新的现场勘查、来自水轮机制造商的最新资料、新的项目设想以及对与项目相关的各类问题作进一步的综合处理。

为了提高工程的安全性、可靠性和经济效益，以及尽最大可能地满足业主的要求，对该工程的设计方案仍在进行不断的完善和优化。