利比里亚咖啡山水电站修复

咖啡山（Mount Coffee）水电站于1967年正式运行发电，在内战爆发前，成功为利比里亚提供电力23 a，发电量占全国总电力的20%。

1989～2003年，利比里亚爆发了两次内战。第一次内战早期，咖啡山水电站所有发电机组停止了运行，当时时逢集中强降雨的1990年8月份，由于溢洪闸无人管控，水库水位持续上涨，最后导致一处坝体溃决，一座长约180 m的土坝被水流冲毁，发电厂房被淹。随后几年，水电站所有非嵌入式设备、发电设备和绝大部分的水工钢结构均遭毁坏。

内战前，利比里亚国家电力公司（LEC）拥有装机200 MW，包括水电、重油和柴油发电，但在内战冲突中利比里亚电力基础设施遭到破坏。

1 修复过程

咖啡山水电站位于利比里亚首都蒙罗维亚北约25 km处，是一座径流式电站，主坝为土坝，两侧为弧型闸门溢洪道及3座副坝（即前池坝）。圣保罗河水由前池渠进入取水建筑物，经4条压力管流向水轮机，通过长800 m的尾水渠流回到下游主河道。

修复项目资金来自欧洲投资银行，是由德国政府通过德国复兴信贷银行、挪威通过挪威外交部、美国千禧挑战公司（MCC）及利比里亚政府共同提供的优惠贷款和赠款。

2012年初，挪威外交部要求曼尼托巴水电国际公司（MHI）提供一份重建咖啡山水电站的报告。MHI在利比里亚电力公司内成立了一个半自治的项目筹备组（PIU），代表各利益相关方全权负责项目的重建工作。

PIU组织了项目咨询国际招标。2013年初，诺普兰（Norplan）和费希特纳（Fichtner）组建的联合体（JV）中标，负责项目的设计及工程监理。随后成立了项目专家小组委员会，指导项目工作的开展，并确保工程达到世界级水准。

2014年1月，进场道路、围堰、营地等前期工程启动，并于2014年9月份基本完成。前期工作完成后，开展了主溢洪道、土坝、发电厂房、取水建筑物等的前期勘察工作。

2014年9月至2015年5月，西非爆发埃搏拉疫情。期间，该项目的详勘、研究与采购工作大部分暂停。2015年8月，土建承包商开始清理长满植被的场地，修建进场道路，开挖探坑，打机钻孔，地质勘探工作得以重新开展。

修复项目常常面临着原设计方案意图和建筑物施工条件不明等问题，咖啡山水电站修复项目所面临的困难，在于建设资料和运行记录的缺失，水文、地质、测量资料有限，仅存一套1960年代的招标图纸、发电厂房的设计草图以及灌木丛生的坝址。

最初的打算是将电站恢复到战前的状态，尽可能提升原有4台混流式水轮机功率，安装丢失的水工钢结构，重建溃决坝段，修复残存的土坝，恢复土建建筑物。后来在工作中发现，大坝及其附属建筑物的安全性能也需要提升。原坝只有主溢洪道调节库水位和泄洪，安装有高11 m、宽12 m的弧型闸门，而没有应急溢洪道。除了1990年溃坝事件外，1982年还发生过弧形闸门操作失灵导致的洪水漫顶事件。

新的设计包括：抬高坝顶高程，加固溢洪闸，防止洪水漫顶；为溢洪道闸门安装动力供应系统，保证闸门启闭动力冗余；新修建一条无闸应急溢洪道，在溢洪道闸门发生失灵时保障大坝的安全性。通过这些措施，大坝的安全性将得到整体提升。

在国际援助组织的帮助下，利比里亚成功战胜了埃搏拉疫情，2015年5月埃搏拉风险降到了合适的级别。PIU和工程师团队的工作重启，制定了针对疾病爆发而延误工期的边设计边施工措施，计划在2016年12月达到第一台水电机组发电的目标。最初承包主合同为4份，为了缩短项目关键路径，将主合同数量增加到6份。

至2015年8月底，6家承包商均进场：福伊特（Voith）水电公司（德国）为发电设备商；唐纳斯（Dawnus）国际有限公司（英国）为土建承包商；安德里茨（Andriz）水电公司（澳大利亚）为水工钢结构商；国家承包有限公司（沙特）为变电站承包商；艾尔泰尔线（Eltel）路公司（瑞典）为线路承包商；PSM联营体（利比里亚）为营地建造承包商和营地服务提供商。

2016年8月，水电运行国际公司（瑞士）承签了运维及培训合同，这是项目签订的第7份主要承包合同。众多合同在管理上形成了相当多的合同界面，为此需采取新的设计方案来修复电站，使项目管理进一步复杂化。

2 发电量大幅增加

原咖啡山水电站机组运行水位18～23 m，由于混流式水轮机通常不适合在这样的低水头下运行，为机组升级带来了挑战。最初的评估也包括研究安装其他类型发电机组的可行性，如转桨式水轮机、阿基米德螺旋水轮机。与混流式水轮机相比，其他水轮机的运行环境更加灵活，在较大范围运行水头下输出功率更稳定；而混流式水轮机的功率曲线则很陡。安装其他水轮机需要对混凝土结构进行较大的改造，尽管具有理论上的可行性，但在规定的工期内并且在不增加投资的情况下，额外的工作并不具有实际价值。

该项目的主要制约因素是原有混凝土结构、水道走向、水力参数、水轮机组等均已限定，因此只能进行有限的结构改造。

福伊特公司承担水道的计算流体动力学（CFD）分析，以优化新水轮机的水力设计。目的在于确定新水轮机导向叶片和转轮的最佳水力设计，同时调整已有的固定导片及尾水管。

结果表明，调整固定导片边缘会大大减少水头损失，从而提高水轮机的功率输出。针对尾水管调整研究了两种方案：①调整尾水管锥管，使来自转轮的水流平顺通过；②研究调整底板的可行性，减少分流和回流。结果显示，对尾水管锥管进行任何调整都不能增加水轮机功率。

水轮机最终设计与原有建筑物相匹配，调整固定导片和悬挂转轮使得水轮机流量增大。尽管几何边界条件不佳，但利用计算流体动力学进行现代水轮机设计可以大幅提高水轮机输出功率。升级后每台发电机组容量为22 MW，而原1、2号机组仅为15 MW，3、4号机组仅为17 MW，电站总容量增加了38%。

发电机组主要参数如下：

涡轮转速 143 r/min

额定水头 23 m

额定功率 22 MW

单位最大流量 108 m3/s

机组功率的提升也具有挑战性。原1、2号发电机组和3、4号发电机组的基座高程和间距不同，基座锚固力不能承受发电机组升级后增加的荷载。原电站建设竣工图已丢失，因此决定重新布置发电机座中的钢筋。首先拆除机座大量的混凝土，使用了高压水的“水力拆除”技术，这项技术可以拆除混凝土而保留其中的钢筋，后期浇注混凝土时将新老钢筋搭接，使所有发电机都安装在同一高程。

电站厂房内同时开展几项工作是有困难的，适当隔离水力拆除场地，以及厂房内同时开展工作的承包商间的密切协作，保证了施工的顺利进行。

发电机组改造是项目中最富挑战性的工作，但也仅仅是重建工作的一部分，进水口和厂房内所有非嵌入式设备都已被拆除，需要重新安装拦污栅、进水闸门、尾水闸门、厂房起重机和电站的其他附属设备。而为了维持原电站机组运行，原进水闸门已用作隔断。新的进水闸门设计采用了液压自动关闭系统，极大提高了发电机组运营的安全性，因为原电站没有安装进水球阀，改造时也没有足够的安装空间。

3 土建设计与大坝安全

2015年，国际大坝委员会斯塔万格会议明确强调，需要进一步认识机械操控溢洪道的风险。当大坝临界安全运行完全依赖于机械系统时，应认识到其带来的高风险，并应在新设计中加以考虑。如咖啡山水电站项目，在内战期间前池坝的溃决就是这种初始设计导致的直接后果。

最终分析认为，在主坝南侧建造与自然河道相连的固定反弧溢洪道是最理想的解决方案。溢洪道开挖出来的石料可用作土坝的防冲和抛石，减少了开挖弃料堆渣的费用。综合各种因素，最终决定使用砌石混凝土作为建筑材料。

大坝砌石混凝土技术综合了古代人工建筑工艺和最新设计方法，具有投资低、耐久性好、强度高、施工便利等优点，很适合于咖啡山水电站高2 m、长220 m的应急溢洪道建设。

设计增加的应急溢洪道，可以将“通常原因”溢洪道闸门失灵导致的溃坝洪水风险从1 a一遇降低到50 a一遇，还能额外增加溢洪道泄洪能力。溢洪道闸门完全开启时，能将极端洪水过洪能力从13 750 m3/s提高到17 350 m3/s，便于可能的最大洪水通过改进后的溢洪道系统。

大坝加高和溃决坝段的重建同样面临挑战。评估发现，部分坝段坝体状况良好，而其他坝段在洪水漫顶事件中被大面积冲蚀或形成大量冲刷坑。另外，部分坝段具有不同的典型横截面，大部分坝肩形状不规则。据此，复建工程包括坝坡整修、防渗料填补、反滤料填筑、防冲和抛石、排水系统增设、安全监测。而对现有土坝的设计，一定程度上受限于现有坝体状况，但对溃坝段则可以优化筑坝材料和资源。

4 结语

1989～2003年两次内战以及2014埃搏拉疫情的爆发，对利比里亚能源和全国经济产生了重大的负面影响。

利比里亚电力公司的发电量为38 MW，主要是重油或柴油发电，但在传输过程中电量损失率近40%，主要是人为窃电；2017年初，电网高峰容量14～20 MW（1990年之前为200 MW，而人口已经从200万增长到了500万）；利比里亚是世界上电价最高的国家之一（虽然最近电价下降到0.39美元/kWh），却也是全球最穷的国家之一（根据世界银行2014年的统计，人均国民生产总值在185个国家中排名第181）。

咖啡山水电站的重建将有效降低利比里亚发电公司的发电成本，进而降低电价，更能为持续增长的用户所接受。

第1台修复的机组于2016年12月开始发电，所有施工预计于2017年10月完成。截至2017年2月15日，1、2号机组已累计发电14 GWh。

咖啡山水电站的修复是一个富有挑战性的项目，多学科交叉、多种文化交融（20多个国家的工作人员参加），各方齐心协力，取得了巨大成功。

该项目的成功实施有助于进一步推动当地水电开发，如规划的上游维亚（Via）水库。如果维亚水库建成，咖啡山水电站的4台径流式机组将可以全年同时发电，满足届时对电力的需求。目前，在最干旱的1～3月份，河水流量完全不能满足机组运行的需要。

高峰期咖啡山项目施工人数超过1 000人，其中有650名利比里亚人，极大推动了周边地区经济的发展，从蒙罗维亚到电站25 km的进场道路两旁，大量民房和商业建筑涌现，沿公路架设了66 kV输电线路。

项目所应用的技术不仅包括精心的设计方案和制造工艺（如发电机组），还有用于应急溢洪道施工的劳动密集型技术和传统工艺。

可以预见，在将来的很多年里，经修复改造的咖啡山水电站将为利比里亚提供可持续的清洁能源，并将为这个国家的重建做出重大贡献。