苏阿皮蒂水利枢纽布置及优化

王美斋，陈兴亮，邵 颖，罗 畅

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 工程概况

苏阿皮蒂水利枢纽位于“西非水塔”几内亚西部孔库雷河中游，距下游已建成凯乐塔水电站6 km，距首都科纳克里135 km，其水库总库容74.89亿m3，总装机容量450 MW，多年平均年发电量20.16亿kW·h，为Ⅰ等大(1)型工程。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高120 m，大坝按1000年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核。正常蓄水位210 m，设计洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，校核洪水位枢纽总下泄流量4 370 m3/s，溢流坝下泄流量2 410 m3/s，泄洪底孔泄量1 956 m3/s。枢纽建筑物主要包括两岸挡水坝段、发电引水坝段、导流底孔坝段、泄洪底孔坝段、溢流坝段，及位于左岸发电引水坝段的坝后发电厂房。

孔库雷河干流总长约328 km，流域总控制面积约16 800 km2，凯乐塔水电站以上平均降雨量约为2 000 mm，工程区年均气温26.6 ℃，极端最高温度约44 ℃，极端最低温度约8℃；多年平均风速约2.4 m/s，瞬时最大风速约28 m/s，多年平均年最大风速21 m/s；多年平均蒸发量约1 600 mm。径流年际变化大，特雷么累站最大年径流量为167亿m3，最小年径流量为57.6亿m3，最大年径流为最小年径流的2.9倍，年径流变差系数Cv为0.26；径流年内分配不均匀，雨季和旱季相差悬殊，7月～11月径流量占全年径流总量的90%，其中8月、9月径流量占全年径流量的55%。流域洪水年际变化相对较小，主要发生在8月，其次为9月和7月，洪水过程为矮胖型，历时长，一次洪水历时长达90 d。多年平均输沙量100万m3。

坝址区河谷相对开阔，形态呈不对称的“U”形；两岸山体雄厚，谷坡宽缓，平均海拔250～400 m，相对高差200 m左右，自然坡度一般为15°～17°，局部达到40°，地貌上属于低山丘陵地区。河谷底宽200～350 m，河水面宽170～310 m。地层岩性主要为第四系残坡积物、冲洪积物、古生代辉绿岩和奥陶系(粉)砂岩。两岸岸坡第四系残坡积物(Qel+dl)覆盖层最大厚度47.10 m。奥陶系(粉)砂岩主要为薄层钙质砂岩和极薄层泥质粉砂岩，互层分布，并以泥质粉砂岩为主、岩体完整性及力学性能较差，变形模量低，有连续性较好且顺层分布的软弱夹层和泥化夹层，粉砂岩发育水平泥质条带，泥质含量高，遇水软化，大坝抗滑稳定问题突出。河床辉绿岩裸露，顶部强风化卸荷带层厚3m左右，受风化卸荷及水的作用，发育延伸较长的缓倾角及竖向裂隙，有的脱离母岩成为孤石；弱风化卸荷带层厚3～10m，岩体完整或较完整，裂隙较发育，局部发育，裂隙多闭合或充填石英；微风化卸荷辉绿岩岩体完整，裂隙不发育，局部较发育。

2 枢纽布置选择

2.1 坝址选择

苏阿皮蒂水利枢纽可研阶段在距凯乐塔水电站上游约14 km的河段内拟定2个坝址进行比较，1号坝址位于凯乐塔水电站上游14 km处，2号坝址位于凯乐塔水电站上游6 km处。1号坝址较2号坝址损失了10 m水头且出线长度增加了约7 km，从充分利用发电水头、减少电站出线长度、方便与凯乐塔水电站联合运行管理等方面综合分析，最终选择2号坝址即苏阿皮蒂坝址为推荐坝址。

2.2 坝型选择

可研阶段，根据地形地质条件拟定碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝两种坝型进行了比选，通过分析比较，面板堆石坝与重力坝方案相比，引水洞、地下厂房、导流洞等大量的地下洞室结构潜在地质风险，导流费用高，料场无用料剥离量大，工期长，综合效益不占优势，最终推荐碾压混凝土重力坝方案。

2016年1月与几内亚政府签署项目建设合同后，在可研阶段坝址坝型确定的基础上，随着地质勘察工作地深入，综合地形地质条件、建筑物的布置条件、技术可靠性、经济合理性、施工方便性等因素，对碾压混凝土重力坝方案、碾压混凝土重力坝+两岸粘土心墙堆石坝方案和碾压混凝土重力坝+两岸截渗墙方案进行了深入比选，尽管碾压混凝土重力坝+两岸粘土心墙堆石坝方案相比于碾压混凝土重力坝方案节省投资，技术安全相对可靠，但从工期、履约和变更难度等因素考虑，维持碾压混凝土重力坝方案。

2.3 枢纽布置

可研阶段碾压混凝土重力坝方案，坝轴线长1 148 m，从左岸至右岸依次为左岸挡水坝段、引水坝段、溢流坝段、底孔坝段、右岸挡水坝段，长分别为377、103、231、51、386 m。合同签订后，为方便施工及运行期的调度管理，将泄洪底孔和导流底孔坝段调整至左岸发电引水坝段和溢流坝段之间；同时为减少左岸厂房边坡开挖，将发电引水坝段右移，尽可能将发电引水坝段、导流底孔、泄洪底孔坝段和溢流坝段紧凑布置于河床，优化调整后的方案坝线总长1 164 m，共分为52坝段，枢纽布置自左至右分别为左岸挡水坝段423.45 m、发电引水坝段97 m、导流底孔坝段60 m、泄洪底孔坝段25 m、溢流坝段173.55 m和右岸挡水坝段385 m。大坝为全断面碾压混凝土重力坝，发电厂房位于左岸发电引水坝段坝后。

3 建筑物布置设计

3.1 挡水建筑物

挡水坝段总长808.45 m，左岸挡水坝段长423.45 m(其中94.02 m坐落于极薄泥质粉砂岩/砂岩水平互层地基上，最大坝高64.9 m)，共18个坝段；右岸挡水坝段长385 m(其中177 m坐落于极薄泥质粉砂岩/砂岩水平互层地基上，最大坝高82.5 m)，共16个坝段。砂岩挡水坝段最大坝高82.5 m，上游坝坡竖直，下游坝坡在203.56 m高程以上竖直，以下坡比为1∶0.80；右岸在144.5～175 m高程建基面下游设置混凝土齿槽，齿槽在建基面处宽11.75～17 m，底部宽6.5 m，深5～10 m；坝后建基面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。辉绿岩挡水坝段最大坝高117.5 m，上游坝坡在150.00 m高程以上竖直，130～150 m高程间坡比为1∶0.1，130 m高程以下为1∶0.2；下游坝坡在202.15 m高程以上竖直，以下坡比为1∶0.70。

3.2 泄水建筑物

3.2.1溢流坝段

溢流坝段在设计阶段全面对无闸门自由溢流方案和有闸门控制方案进行了比较，尽管有闸门控制方案具备便于控制调节水库蓄水位，减少水库放空时间从而为大坝检修维护创造时间，以及降低坝高，减少投资等优点，但同时也存在运行期洪水管理调度相对复杂，运行防洪风险相对较大，考虑当地运维管理水平的实际情况，最终采用无闸门自由溢流方案。

溢流坝段布置于主河床位置，通过不同溢流宽度的施工便利性和经济性比选，坝段总长确定为173.55 m，共分8个坝段，溢流净宽169.55 m，两侧设2 m宽的导墙。溢流堰采用无闸门控制开敞式表孔溢流堰，堰型采用WES型实用堰。溢流堰堰顶高程210 m，堰面采用WES型幂曲线。溢流坝消能方式为台阶+底流消能，台阶高0.9 m，宽0.648 m，坡比为1∶0.72，坡面台阶与下游护坦采用无圆弧连接，护坦顶高程109.0 m，厚1.5 m，护坦与下部岩体设直径Φ32 mm的锚固钢筋，入岩7.0 m，间排距1.5 m。模型试验说明，在常年水位、设计水位和校核水位工况下运行时，台阶溢流坝的消能率均超过70%，消能效果较好。

3.2.2泄洪底孔坝段

通过对坝身无压泄水孔方案和坝身有压泄水孔方案的比较，坝身无压泄水孔方案尽管施存在大坝施工相互干扰较大、启闭机室环境较差、运维交通不便等不利方面，但该方案相对于坝身有压泄水孔方案，投资较省，经过综合考虑，最终推荐坝身无压泄水孔方案。

27号泄流底孔坝段布置于导流底孔坝段与溢流坝段之间，坝段长25.00 m，坝顶高程215.50 m，坝顶宽20.40 m，坝基最低开挖高程96.8 m。泄流底孔分为2孔，进口体形为椭圆曲线，进口底坎高程130 m，进口段后设置5.0 m×7.0 m(宽×高)事故检修门和5.0 m×6.0 m(宽×高)弧形工作门各一道，压坡段位于弧形闸门上游，坡度为1∶4.5。事故检修门与弧形闸门之间布置钢衬。钢衬与混凝土之间的缝隙的渗水用型钢集水槽收集后通过排水管流向下部的基础廊道。工作弧门后设置1.2 m高的跌坎，边墙两侧各设0.5 m的突扩，跌坎内埋设两个直径0.9 m的通气钢管掺气，跌坎后为底坡1∶10泄槽，泄槽长64.59 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半径28 m，挑流鼻坎高程为125.958 m。

3.3 发电引水建筑物

发电引水坝段布置在左岸河床，总长97 m，按5个坝段布置，4个引水口坝段均为19 m，河床挡水坝段为21 m，4条引水管道分别为4台机组供水。引水口坝段顶高程215.50 m，坝基底高程103.00 m，坝高112.50 m，顶宽30.63 m，上游坝坡在125.00 m高程以上直立，在125.00 m高程以下坡比为1∶0.20，下游坝坡在184.903 m高程以上竖直，在184.903 m高程以下坡比为1∶0.70。为充分利用进水口前的空间，在部分拦污栅被污物堵塞时，仍可利用临近的拦污栅过水，互为备用，在每个进水口前设置通仓式拦污栅，防止污物和漂浮物进入进水口。为保证水流平顺渐变，喇叭形进水口为椭圆曲线，其后设置检修门和事故门，闸门孔口的面积约等于其后的压力管道的面积。每个引水坝段(23 m)顺水流方向依次布置3孔4.2 m×12.0 m(宽×高)拦污栅，1孔4.5 m×7.0 m(宽×高)检修门和1孔4.5 m×6.5 m(宽×高)事故门，引水发电钢管直径为5.8 m。

3.4 发电厂房

发电厂房布置在引水坝段下游，厂房机组纵轴线距坝轴线约121 m，基坑开挖最大深度约30 m，基础坐落在微风化辉绿岩上。电站尾水通过约590 m长的尾水渠排至下游河床。为满足厂区防洪及交通需要，厂区平台高程确定为119.70 m。电站为坝后式地面厂房，采用“一机一管”的布置方式，总长120.0 m，总宽47.3 m，总高约50.20 m。机组安装高程105.0 m，机组的中心间距为19 m。电站总装机容量为450 MW，安装4台单机容量112.50 MW的立轴混流式水轮发电机组。

主要建筑物包括主厂房、上游副厂房、下游副厂房、尾水建筑物等。主厂房由主机间和安装间组成，垂直于引水钢管布置，安装间布置在主机间的左侧。4台主变压器露天布置在厂房上游侧，GIS布置在上游一次副厂房二层，出线场布置在上游一次副厂房屋顶，空调机组和水力机械辅助系统设备在下游侧副厂房，中控室及办公房间布置安装间上游侧二次副厂房。为了方便机组安装、检修及设备装卸，在主厂房内安装有一台200 t+200 t/40 t双小车电动双梁桥式起重机，跨度19.0m。为了满足中小部件的频繁起吊的需要，在桥机大梁下部装设一台10 t电动葫芦及吊钩。为了满足GIS设备运输、安装及检修的需要，在GIS室内安装有一台16 t电动单梁桥式起重机，跨度10.0 m。为了尾水闸门启闭，尾水平台安装有一台63 t单向门机。厂房主入口位于安装间下游侧的边墙上，主厂房右侧山墙以及下游副厂房的侧墙上均有疏散通道。

3.5 导流底孔

导流底孔坝段长60 m，共4孔，一坝一孔，单个坝段长15 m，布置于泄洪底孔坝段与厂房坝段之间，2个低位导流底孔布置于泄洪底孔的左侧，进口高程113.50 m，2个高位导流底孔布置于发电引水口的右侧，进口高程119.00 m，孔口尺寸为8.00 m×10.00 m。坝基开挖最低高程103.00 m，最大坝高112.5 m，建基面位于微风化辉绿岩岩体上。上游坝坡在140.00 m高程以上竖直，以下为坡比1∶0.2，下游坝坡在201.50m高程以上竖直，以下为坡比1∶0.70。

4 结 语

苏阿皮蒂水利枢纽工程的枢纽布置及各建筑物的形式，综合考虑了地形地质条件、施工便利性、经济性、工期和国际工程的现状，将泄水、发电引水建筑物集中紧凑布置于主河床，碾压混凝土挡水坝段连续分置于两岸坝肩，各建筑物的形式布置合理，在保证各建筑物功能的前提下，方便了大坝快速化施工，为如期实现合同工期内的项目建设提供了有利条件。截止到2019年8月已累计完成混凝土浇筑量310万m3，占大坝混凝土总量的89%，提前实现初期下闸蓄水目标，工程进展顺利。