刚果（金）BSG水电站引水系统优化设计

孔宇田，余 扬，王 坤，袁应飞

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081）

1 概述

BSG（Busanga）水电站位于刚果（金）南部地区卢阿拉巴省,刚果河源头支流卢阿拉巴（Lualaba）河上。坝址位于N‘zilo-Busanga峡谷出口上游约1.3 km 处,是该峡谷河段规划四个梯级电站（即N’Zilo I、N’zilo II、N’Seke和Busang）的最后一个梯级。

水库正常蓄水位882.00 m、死水位870.00 m,设计洪水位（P=0.1%）882.35 m,校核洪水位（P=0.01%）883.21 m,总库容13.58 亿m3,为多年调节水库。电站装机容量240 MW,多年平均发电量13.31 亿kW·h,保证出力125.9 MW,发电利用小时数5547 h。工程枢纽主要由碾压混凝土拱坝、坝身泄洪系统、左岸引水系统及地面厂房等建筑物组成。

引水系统位于河道左岸,由岸塔式进水口、引水隧洞、压力钢管组成。电站采用两洞四机单元供水方式,1#、2#机组引水线路总长577.20 m,3#、4#机组引水线路总长609.01 m,单机引用流量50.63 m3/s。

2条引水隧洞均包括上平段和斜井段,断面为圆形,洞径6.7 m,流速为3.02 m/s。采用钢筋混凝土衬砌,根据围岩分类不同,衬砌厚度0.6 m~1.0 m。1#引水隧洞（1#、2#机组）总长255.43 m,2#引水隧洞（3#、4#机组）总长287.24 m。

压力钢管由斜井段、下平段、岔管段和支管段组成,始于引水隧洞斜井段末端,斜井775 m高程以上为隧洞,775 m以下为压力钢管。2 条斜井段均长约55.7 m,内径6.7 m,管壁厚度22 mm~28 mm,回填0.6 m厚的C20 素混凝土。压力钢管采用2 管4 机的布置型式,2 个主管下平段均长约117 m；其中内径6.7 m段长约45 m,管壁厚度28 mm,最大流速为3.02 m/s；内径5.2 m段长72 m,管壁厚度28 mm~32 mm；1#~4#支管均长约85 m,内径均为3.4 m,支钢管壁厚26 mm~32 mm,最大流速为5.87 m/s；钢管与开挖岩壁之间均回填0.6 m厚的C20 素混凝土。主管与支管通过Y型岔管连接,岔管钢衬平均厚34 mm。

2 引水发电系统优化设计

BSG水电站在可行性研究阶段结合厂址位置,进行上、下厂址比较,经技术经济比较,推荐采用左岸上厂址地下厂房引水发电系统布置方案。

详细可研阶段,根据可研阶段研究成果和刚果民主共和国能源水利部对可行性研究报告的主要审查意见,结合法国Tractebel Engineering咨询公司对水工建筑物的可研咨询意见,拟定了上、下两个厂址进行引水发电系统比较分析,上厂址距离大坝直线距离约420 m,下厂址距离大坝直线距离约1.05 km,上、下厂址均进行了左右岸引水发电系统布置对比研究,经技术经济比较,推荐采用左岸上厂址地面厂房引水发电系统布置方案[1]。

详细可研阶段引水系统推荐采用左岸两洞四机单元供水布置方式,压力水道由上平段、竖井段和下平段组成,本着投资技术经济效果最佳原则,施工图阶段进一步开展了引水道竖井改斜井的优化设计[2~4]。

2.1 引水线路布置原则

（1）尽量避开山沟或非常破碎软弱的岩层,或地下水头很高、水量很大的地带。洞线与岩层层面、构造断裂面及软弱带的走向应有较大的夹角,其夹角不宜小于30°。

（2）结合枢纽整体布置,引水线路主要结合厂房位置,综合考虑施工等条件进行布置。

（3）引水线路沿程纵坡不宜变化过多,不宜设置平坡,避免设置反坡。选择斜井坡度时,综合考虑施工和地质条件（岩层的走向、倾角、节理裂隙的切割条件等）；当自下而上开挖斜井时,为便于滑渣,一般用坡角42°~55°；当自上向下开挖斜井时,一般认为坡角不大于30°为宜。

（4）对于有压隧洞,要根据各种水位和流量数据计算沿隧洞全长的压力坡线,不论何种情况洞顶至少保证有2 m的压力水头[5]。

2.2 引水线路沿线地质条件

引水线路沿左岸山脊布置,沿线地形坡度10°~35°,植被较多,岩石风化较强烈。线路沿线地层岩性主要为残坡积碎石土,厚度小于1 m；下伏基岩有①太古界（Ar1-2）,薄~中厚层石英千枚岩,岩芯及地表岩石多呈黑白相间的花纹状,局部夹少量红色条纹,主要分布于引水线路出口段；②太古界（Ar1-1）,中厚~厚层状石英千枚岩夹少量薄~中厚层状绢云千枚岩,岩芯多呈深灰色、灰黑色,少量呈黑白相间花纹状,主要分布于引水线路进口及大部分线路区。

引水线路沿线为单斜地层,岩层产状变化较大,其中Ar1-1地层岩层产状多为N10~30°E/NW∠50~70°,Ar1-2地层岩层产状多为N10~20°E/NW∠60~70°。构造以挤压面及小断层为主。

引水线路沿线地下水以基岩裂隙水为主,引水线路下平段之后多位于地下水位以下,施工期间可能出现渗水、滴水现象。

引水隧洞最大埋深约170 m,线路沿线围岩以弱风化~微新岩体为主,岩石以石英千枚岩为主,以中厚层~厚层状为主,引水隧洞轴线与岩层走向夹角30°~40°。引水隧洞围岩以Ⅲ类围岩为主,少量挤压带及破碎带洞段为Ⅳ~V类围岩,隧洞围岩整体稳定性较好,具备成洞条件,顶拱及边墙可能出现局部掉块现象[1]。

2.3 引水线路布置优化设计

根据详细可研阶段引水系统布置,施工图阶段对引水系统开展的优化设计研究主要为：保持引水系统线路平面布置及特征洞径不变,综合考虑水力过渡过程计算、隧洞埋深、结构安全、钢管布置等,将线路纵向布置竖井段优化调整为斜井。引水系统平面布置见图1。

图1 引水系统平面布置图

以3#机组引水系统布置为例,引水系统纵向竖井布置见图2,上平段为隧洞、压力钢管始于竖井上弯段。

图2 优化前3#机组引水系统纵向竖井布置图

引水系统纵向斜井布置见图3,上平段为隧洞、斜井段 775高程以上为隧洞、775高程以下为压力钢管。

图3 优化后3#机组引水系统纵向斜井布置图

以3#机组引水系统布置为例,优化前后引水线路特性对比表,见表1。

表1 引水线路优化前后主要特性对比表

通过引水线路优化前后特性对比,斜井方案与竖井方案在线路总长度与钢管总长度上均有较大优势。

2.4 调节保证计算对比分析

根据两种方案引水线路布置,以3#机组引水发电系统为例,分别研究其水力过渡过程,见表2。

表2 引水线路优化前后主要水力特性对比表

通过引水线路优化前后水力特性对比,两方案布置均不需要设置上游调压井,总水头损失相当,对发电量影响较小,但竖井方案压力钢管末端最大水锤压力明显高于斜井方案,引水系统最高压力线竖井方案在斜井方案之上,见图2、图3,最高压力线影响引水隧洞衬砌及压力钢管的壁厚,进而影响引水系统投资。

2.5 投资对比分析

通过前述比较分析,竖井方案压力钢管长度较斜井方案长162.77 m,本工程压力钢管主管直径6.7 m,钢管制安难度大,压力钢管施工综合单价高,且竖井方案引水系统总体内水压力较斜井方案大,经压力钢管、岔管抗内外水压力结构计算确定钢管壁厚,结合隧洞衬砌施工等工程量,对两个方案的投资进行对比,见表3。

表3 引水系统主要工程量及投资对比表（不含进水口）

通过对比分析,斜井方案明显减少了压力钢管的制安工程量,节省投资约2507 万元,具有显著的经济效益。

3 结语

根据BSG水电站工程特点,设计人员在施工图设计阶段,对引水系统线路布置进行优化设计研究。BSG水电站引水系统压力钢管主管直径6.7 m,管径较大、钢管制安难度大、压力钢管施工综合单价高。在保证结构安全的前提下,通过优化引水系统线路布置,降低了引水系统最高压力线,缩短了引水线路总长度,明显减少了压力钢管长度,节省工程投资2507万元,取得了较好的经济效益,可为类似引水发电工程提供借鉴与参考。目前,引水系统两条隧洞已全部贯通,正在进行钢管安装及隧洞衬砌混凝土施工,施工进展顺利。