布桑加水电站枢纽布置设计

孙宝成，王 坤，张 珺，崔 进，王晶晶

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081；2.贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550001)

1 工程概况

布桑加(Busanga)水电站位于刚果民主共和国南部、科卢维奇市以北卢阿拉巴(Lualaba)河上，坝址控制流域面积22 940 km2[1]。卢阿拉巴河为刚果河源头河流，发源于扎伊尔沙巴高原，赞比亚境内东非大裂谷的高地山区，河流自南向北流入刚果(金)境内，河全长1 800 km，流域内人烟稀少，分布大片森林，植被茂盛，水土保持较好，河水含沙量较低。

刚果(金)境内Lualaba 河上已建有N’Seke 水电站与N’Zilo 水电站，两电站均建于上世纪50 年代[2]。N’Seke 水电站位于Busanga 上游约22 km 处，库容2 120万m3，调节能力较小，装机容量248.4 MW，来水为上游N’Zilo水电站发电尾水。N’Zilo 水电站位于N’Seke 上游约25 km，控制流域面积16 300 km2，库容23.8亿m3，正常蓄水位时水面面积250 km2。电站装机108 MW，电站下泄流量由泄洪系统下泄量与发电机组尾水流量两部分组成。

布桑加水电站工程任务是发电，总装机容量240 MW，电站装机2台，多年平均发电量13.20亿kWh，保证出力126.1 MW，年发电利用小时数5 500 h，水库总库容13.58亿m3，为多年调节水库。布桑加水电站枢纽建筑物由碾压混凝土拱坝、左岸引水系统和地面厂房组成。碾压混凝土拱坝最大坝高141.5 m，坝顶中心弧长259.83 m，是非洲在建的最高拱坝之一，电站预计2020年12月投产发电。

2 水文气象条件

卢阿拉巴河流域位于非洲大陆，赤道南侧，气候主要受西部的大西洋气团控制。卢阿拉巴河流域全年分为旱季和雨季，每年5—9月为旱季，10月～翌年4月为雨季。多年平均降水量1 060 mm，旱季降雨只占全年的2.6%，很多年份旱季月份里几乎没有降雨，而雨季中最大1日降雨量可达90 mm，多年平均约66天降雨量大于10 mm。多年平均气温19.5 ℃，极端最高气温38.2 ℃，极端最低气温0 ℃，多年平均气温年变幅为1.2℃。最大风速15.4 m/s(风向为N)，多年平均风速1.7 m/s。多年平均相对湿度69%，多年平均雷暴日数70 d，多年平均日照时数2 575 h。

布桑加水电站坝址多年平均径流量为47.2亿m3，多年平均流量为150 m3/s[3]，最大年径流量91.6亿m3，最小年径流量26.1亿m3，坝址多年平均悬移质入库沙量为224万t，多年平均含沙量0.084 kg/m3，根据国内经验，推悬比取20%，则布桑加坝址多年平均推移质输沙量为39.8万t。设计洪水成果见表1。

表1 设计洪水成果表

3 工程地质条件

坝址河段为峡谷地貌，河流整体流向为N30～35°W，河床底部高程为745～755 m，水流湍急，为“V”型河谷。坝址两岸及河边基岩裸露，下伏基岩包括Ar1和Ar2地层，其中Ar1地层为中厚～厚层绢云千枚岩及石英千枚岩，坝基范围内均为该地层；Ar2地层为薄～中厚层绢云千枚岩夹石英千枚岩，主要分布于左岸近山顶及西侧地区。地质构造为单斜地层，岩层整体倾向下游偏左岸，产状变化较大，一般为N10～40°E/NW∠50～70°。地质构造以小断层、挤压带(面)及裂隙为主。

引水隧洞沿山脊布置，沿线地形坡度10°～35°，植被较多，岩石风化较强烈，隧洞最大埋深约190 m，隧洞出口位于电站厂房南侧边坡处。沿线覆盖层主要为残坡积碎石土，下伏基岩有:① 太古界(Ar1)，中厚～厚层状绢云千枚岩夹石英千枚岩，岩芯多呈深灰色、灰黑色，少量呈黑白相间花纹状，主要分布于隧洞上平段及竖井下半段；② 太古界(Ar2)，薄～中厚层绢云千枚岩夹石英千枚岩，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，分布于引水隧洞竖井上半段及下平段，隧洞沿线均为微新岩体。地面厂房区覆盖层包括洪冲积层、崩坡积层及残坡积层。厂房区主要地层为太古界(Ar3)石英千枚岩夹绢云千枚岩，以中厚层状为主，少量呈薄层状，岩芯多呈灰色、深灰色，地质构造以挤压带(面)及裂隙为主。

4 坝址、坝型及坝线比选

4.1 坝址选择

根据工程规模、流域的地形、地貌、地质条件及施工等情况，考虑开发河段水能利用与衔接、水库淹没、环境保护和枢纽布置等因素，拟定了上、下2个坝址方案进行比较研究。从水文、水能、地形、地质、枢纽布置、施工及工程运行等条件进行综合比选，上、下坝址均能满足建坝地质条件及规划指标要求[4]，但下坝址经济指标、施工条件均优于上坝址，且交通更为便利，优势较为明显，经综合考虑各项因素后，选择下坝址为推荐坝址。

4.2 坝型选择

结合本工程的地形、地质条件、工程特点及筑坝材料等具体条件，采用碾压混凝土拱坝和碾压混凝土重力坝2种坝型进行坝型比较。碾压混凝土拱坝与重力坝工程地质条件基本相同，地质条件均适应，从地形上分析，河谷狭窄，更有利于拱坝布置。拱坝方案较重力坝方案开挖嵌深大，形成的边坡坡度高，边坡支护处理措施较大。重力坝建基面面积比拱坝大，建基面基础处理量较大。碾压重力坝和拱坝方案的施工导流度汛标准相同，均采用全年导流方式，施工导流方案相同。重力坝混凝土量大，水泥运输量大，考虑到国际工程不可预见因素相对较多，应尽量减少外运材料用量，拱坝较优。从主要工程量看，重力坝方案开挖量较拱坝方案少约11.5万m3，总混凝土量比拱坝方案多24.77万m3，固结灌浆重力坝方案多4.5万m；下游水垫塘、二道坝及下游护坡处理中，重力坝比拱坝方案开挖量多1.6万m3；防渗帷幕重力坝方案多约0.18万m。

综合地形地质适应性、大坝布置及运行条件、施工布置条件及投资比较，拱坝在工程投资上具有明显的优势，因此将碾压混凝土拱坝作为推荐坝型。

4.3 坝线选择

通过对推荐坝址进行详细的现场查勘，综合考虑坝址的地形、地质条件，拟定了上、下2个比较坝线。上、下坝线相距93 m左右，地层岩性及构造基本相同，F1断层在上坝线下游侧及局部坝基内揭露，对拱坝坝肩下游边坡有一定影响，F1断层在下坝线上游侧及坝基范围内揭露，对拱坝坝肩上游边坡有一定影响，上、下坝线在地质条件上基本相当。上、下坝线按照基本相同的嵌深开挖，上坝线拱坝坝顶长度312 m，下坝线拱坝坝顶长度约265 m，下坝线拱坝坝体尺寸小于上坝线。上、下坝线枢纽布置相同，主要施工通道均从大坝左岸下游新建，故上坝线上坝交通较下坝线长约100 m，同时导流洞长度长约100 m，下坝线略优。上、下两条坝线采用相同的设计嵌深及一致的拱冠梁剖面，经体型计算，上坝线河谷比下坝线宽阔，上坝线拱坝混凝土量较下坝线多约6.9万m3，开挖量比下坝线多1.68万m3；下游水垫塘及护坡工程量基本相差不大，防渗帷幕上坝线比下坝线拱坝多0.6万m。综合比选，推荐坝线为下坝线。

5 枢纽布置方案

5.1 泄水布置选择

为满足工程泄洪、冲沙及放空检修的要求，根据本工程的地形、地质、水位和泄洪特点，结合坝体结构和枢纽布置等因素，拟定4种布置方案：2表孔+2中孔(方案1)、3表孔+2中孔(方案2)、2表孔+1中孔+左岸泄洪洞(方案3)、2表孔+1中孔(方案4)。

从超泄能力、放空能力方面分析，4个方案均能满足水库运行要求。方案1、方案2、方案4均采用坝身表孔及中孔的方式，规模相差不大，枢纽布置、坝体施工难度方面基本相当，方案3需改建导流洞，并开挖隧洞及竖井，新建竖井底部的施工通道，施工干扰及难度较大。

从坝身孔口下游泄洪消能来说，均采用表孔跌流、中孔挑流、下游设置二道坝的方式[5]，二道坝规模基本相同，下游贴坡型式一致，但总体相差不大，泄洪水流落点及冲坑规模基本相当。方案3采用旋流竖井消能，消能型式复杂，泄洪洞出口流速较大，出口水流对岸边冲刷严重。

从工程投资上来看，方案4工程投资最小，方案1工程投资仅比方案四稍多，差别很小，方案3由于需要新建泄洪洞，工程投资最大。从运行灵活上来看，方案1、方案2、方案3的表孔、中孔均互有备用，运行灵活，方案4仅布置1个中孔，中孔检修时坝体无其他放空通道，运行较差。综合比较4个方案，选择方案1作为泄洪系统推荐方案，即2个溢流表孔+2个中孔的布置型式，主要承担宣泄水库各种频率的洪水及放空水库的任务。各泄洪方案优缺点比较见表2，枢纽布置见图1。

表2 各泄洪方案优缺点比较表

图1 布桑加水电站枢纽布置图

5.2 引水系统选择

引水系统受地形地质条件限制，引水线路选择穿越山脊进入厂房是最为合适的。引水系统方案的比较重点是隧洞和调压设施的布置条件。结合地形、地质条件，拟定如下引水比较方案：2洞4机无上游调压室(方案1)、2洞4机+上游调压室(方案2)、1洞4机无上游调压室(方案3)、1洞4机+上游调压室(方案4)。

方案3工程投资比方案4高，转速上升率也是4个方案中偏高的，且运行相对不灵活，首先予以放弃。方案2设置调压室加大了上游调压室井身的高度，还增加了地面明井及钢管工程量。通过结构设计，带调压室的方案2对比方案4，上游调压室断面尺寸相同，但调压室个数需增加为2个，单个井筒高度也增加8.5 m，调压室工程量大幅增加。由此方案2也予以放弃。

方案1和方案4水力学、机组过渡过程均满足国内、国际标准；方案1压力钢管长度比方案4长240 m，引水隧洞长度比方案4小74 m，投资差异基本相当；考虑到机组运行时，方案1运行较灵活，检修相对方便，且有利于电网供电的平稳。因此，选定方案1的枢纽布置方式。

6 主要建筑物设计

通过下坝址、坝型坝线、枢纽布置比选，本工程推荐方案枢纽由碾压混凝土拱坝、坝身泄洪系统、左岸引水系统及地面厂房等建筑物组成[6]。

6.1 挡水建筑物

布桑加坝址沿坝轴线呈“V”型河谷，两岸地形陡峭，两岸坡度约40°～60°，坝址河段河流整体流向为N30°～35°W。大坝布置除考虑坝肩稳定及应力、右岸F1断层及其分支对右坝肩上游顺向边坡稳定、下泄水流归槽、工程投资外，还结合现有勘探平硐综合考虑大坝与引水发电进水口布置协调、交通及坝基排水通道、施工便利、减少施工干扰等因素，选定拦河坝为双曲抛物线拱坝，坝顶高程885.00 m，最大坝高141.50 m。坝顶宽8.0 m，坝底厚36.0 m，厚高比0.254，坝顶中心弧长259.83 m，最大中心角88.6962°，最小中心角53.1302°，基本上呈对称布置，中心线方位N35.09°W。拱冠最大曲率半径136 m，最小曲率半径60 m。坝体防渗采用二级配碾压混凝土自身防渗[7]。

拱坝体型通过拱梁分载法和有限元法计算表明，各工况应力均满足规范要求，分布合理。拱坝左坝肩存在2种组合滑动模式，右岸坝肩存在一种滑动组合模式，对左右岸拱座稳定最不利组合模式进行分析计算表明左右坝肩各工况、滑动组合模式下均能满足规范要求，拱坝坝肩稳定满足要求。布桑加水电站拱坝三维体型见图2。

图2 布桑加水电站拱坝三维体型图

6.2 泄水建筑物

泄水建筑物由溢流表孔、中孔及下游消能防冲建筑物等组成。溢流表孔沿拱坝中心线对称布置，孔口尺寸8 m×7 m(宽×高)。堰顶高程875.00 m，堰顶原点上游设置宽2. 3 m水平段，方便设置表孔检修门；水平段上游曲线采用椭圆弧与上游坡相接，堰顶原点下游曲线采用WES曲线，后接坡度为1∶1.07的直线段，直线段后接半径为30 m的反弧段，反弧段末端高程857.00 m。

2个中孔布置在810.00 m高程，布置在溢流表孔两侧。中孔进口设置检修闸门，孔口尺寸3 m×4.5 m(宽×高)，出口设置弧形工作闸门，孔口尺寸3 m×3.5 m(宽×高)。中孔由进口段、中部有压流段和出口明流段3部分组成。

本工程河谷狭窄，下泄水流的动能较大，为尽量减少下泄水流对两岸岸坡冲刷，通过设计表孔及中孔体型及消能工方式，将表孔下泄水流与中孔下泄水流前后拉开，让两处水流落点前后分开，水流不交叉重合，既可避免水流冲坑集中，也可减少下游河道开挖，并在下游设置水垫塘、二道坝及护坦，作为综合消能措施。对泄洪系统采用Flow-3D软件进行数值模拟，从模拟结果可知，水舌形态上，表孔水舌和中孔水舌基本不碰撞，不存在水舌对冲现象，各工况下，水垫塘底板水流流速、压力分布均匀，泄洪建筑物满足泄洪消能要求。三维水舌形态见图3[8]。

图3 三维水舌形态图

6.3 引水发电厂房

引水发电系统位于河道左岸，由岸塔式进水口、引水隧洞、压力钢管及左岸地面厂房组成。电站采用2洞4机单元供水方式，单机引用流量51.7 m3/s。进水口采用两单元组成的岸塔式进水口，进水口段长28.2 m，进口底板高程857.00 m，塔顶高程与坝顶同高为885.00 m。进水口设置6孔直立连通式拦污栅，拦污栅孔口尺寸为3.8 m×13.0 m(宽×高)，前缘总宽34.2 m。每个进水口依次设置1道检修闸门和1道工作闸门，闸门孔口尺寸为5.7 m×6.7 m(宽×高)。

引水发电系统沿左岸山脊布置，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。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未端，斜井775.00 m高程以上为隧洞，775.00 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28 mm。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165 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120 m，管壁厚度26 mm；1号～4号支管均长约5 0 m，内径均为3.4 m，支钢管壁厚26 mm，最大流速为5.87 m/s。主管与支管通过Y型岔管连接，岔管壁厚34 mm。

发电厂房位于大坝下游约420 m的河道左岸，为岸边式地面厂房，装机容量240 MW，台数4台，单机容量60 MW。厂区枢纽由主机间、安装间、上游副厂房、尾水平台、尾水渠等建筑物组成。

7 结 论

(1) 结合布桑加水电站开发利用河段的地形地质条件、枢纽布置条件、交通施工条件、工程投资及运行调度等因素，通过多方案比选，选择了下坝址、下坝线、碾压混凝土拱坝、坝身泄洪系统、左岸引水系统及地面厂房的枢纽布置方案，该方案安全、经济、合理[9]。

(2) 通过业主单位、设计单位、建设单位、科研院所与高校的联合攻关，采用三维有限元、Flow-3D数值模拟、体型优化等方法与手段，最终确定了碾压混凝土拱坝体型，确保了工程安全、经济。

(3) 根据坝址河谷形态、地形、地质条件，采用表孔及中孔体型及消能工的设计方式，确保了工程泄洪安全，运行灵活方便，满足了冲砂要求。