喀麦隆比尼瓦拉克水电站引水系统设计研究

鲍世虎，韩华超

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江?杭州?311122)

1 工程概况

喀麦隆比尼瓦拉克(Bini A Warak)水电站位于喀麦隆北部阿达马瓦省(Adamawa province)的比尼(Bini)河上，主要任务是发电。水库面积约82 km2，正常蓄水位为1 046.00 m，相应总库容6.032 亿m3，死水位为1 033 m，死库容0.705亿m3。装机容量75 MW (3×25 MW)，额定引用流量为41.7 m3/s (3×13.9 m3/s)，额定水头为206 m。

电站采用引水式开发，永久建筑物主要包括：拦河坝、引水系统、地面发电厂房和开关站等。引水系统沿河道左岸布置，采用多级供水的形式，建筑物种类和数量均较多，系统较为复杂，存在诸多设计重点和难点；尤其是水力学方面，如建筑物间有压流和无压流衔接问题复杂，多个水力机械设备联动情况下水力过渡过程问题复杂等。

项目位于非洲，工程咨询单位主要是葡萄牙和巴西等国家的企业，根据其咨询要求，项目必须采用国际公认的设计标准，如欧洲标准或美国标准等。

2 工程地质

发电引水系统拦河坝至调压室段地形平缓，坡度2°～7°，调压室至发电厂房段为斜坡，坡度7°～30°，沿线覆盖层广泛分布，以坡积粉质粘土和残积粉质粘土为主，土体抗冲刷能力弱，渗透性为微～弱，下伏第三系玄武岩、前寒武系花岗岩。其中，引水明渠段覆盖层厚0.8～5.3 m，最厚可达9.0 m。压力前池段和压力钢管缓坡段覆盖层厚度较厚，可达9.0 m。压力钢管斜坡段坡积物较薄。

3 引水系统设计

3.1 引水系统布置

引水系统长约7 335 m，主要由引水进水口、引水钢管、消力池、引水明渠、压力前池、压力进水口、压力钢管和调压室等组成(见图1)。

引水进水口布置在拦河坝引水坝段，靠主河床左岸，设1道拦污栅和1道平板事故闸门；拦污栅孔口尺寸为4.7 m × 5.5 m×2(宽×高×孔)，事故闸门孔口尺寸为3.6 m × 2.9 m (宽×高)。

引水钢管布置在引水进水口后，长约230 m，包括主管、岔管(一分三)和支管。主管和支管直径分别为3.6、1.8 m。为灵活控制下泄流量，引水钢管下游接蝶阀和锥阀，分别为检修阀和工作阀。

消力池位于锥阀出口，用以消能、平顺水流。消力池由池身段和连接段组成，分别长27.35、60 m。池身段为矩形断面，由中隔墙分隔为3池，分别对应于3个锥阀，断面尺寸为4.7 m × 7.9 m(宽×高)。池身尾部设1道检修闸门。连接段连接消力池和引水明渠，断面由矩形渐变为梯形。

消力池后接引水明渠，引水明渠沿1 030 m等高线布置，长约4 808 m，纵向底坡0.008 5 %，梯形断面，底宽5.2 m，侧坡1∶2。坡顶高程为1 030.50 m，左、右侧坡顶设公路。明渠采用C25素混凝土衬砌，厚12 cm(见图2)。

压力前池由前池连接段和池身段组成，边墙为扶壁式挡土墙。前池连接段连接引水明渠和池身段，断面由梯形渐变为矩形，长48.15 m，纵向底坡1∶5。压力前池池身段长14.3 m，断面尺寸为26.4 m ×15.0 m(宽×高)，底板高程为1 015.50 m。

压力进水口设在压力前池末端，为塔式进水口，顺水流方向依次设1道拦污栅、1道检修闸门和1道工作闸门。拦污栅孔口尺寸为5.0 m ×5.65 m×2(宽×高×孔)。检修闸门和工作闸门孔口尺寸均为3.0 m×6.5 m(宽×高)。

压力钢管为明钢管，沿厂房后边坡地形铺设，长约2 287 m，遇转弯段或者每隔150 m设置镇墩，镇墩间布置混凝土支墩。钢管直径为3.5 m，采用500 MPa及600 MPa级钢材，厚度12～40 mm。压力钢管末端布置一分三的岔管，岔管与支管、发电机组连接，支管直径1.6 m。钢管中心线高程1 021.25～806.50 m(见图3)。

调压室布置于压力钢管中段，距离压力进水口约1 100 m，采用阻抗式布置。调压室基座为钢筋混凝土实体结构，井身采用钢衬钢筋混凝土复合衬砌结构，典型断面为圆形，直径为11.0 m，高23.05 m。阻抗孔直径为2.0 m，高2.15 m。

3.2 引水建筑物设计

本电站通过水库引水发电，经技术经济比较，有压隧洞引水发电的方案施工安全风险高、工程投资大，推荐采用引水明渠和压力钢管相结合的设计方案。推荐方案主要利用河道左岸沿线平缓的地形布置引水明渠，并在厂房上游的斜坡布置压力钢管集中水头、取水发电。

3.2.1 引水进水口、引水钢管和消力池

引水进水口布置在拦河混凝土重力坝上，临近冲沙底孔布置，确保进水口“门前清”。进水口底板高程为1 026.40 m，冲沙底孔高程为1 015.00 m。进水口实际淹没水深为3.40 m，高于戈登公式计算的最小淹没水深。

引水进水口为有压引水，引水明渠为无压引水，通过引水钢管连接。引水钢管承受内水压力较小，最大约22 m，钢管壁厚满足规范规定的最小构造厚度即可。

为控制明渠水流稳定，引水钢管末端设锥阀，控制下泄流量。同时，为了平顺水流，避免明渠内水位波动紊乱和对明渠造成冲刷破坏，在锥阀出口设置了消力池。锥阀可消能，消力池主要作为辅助的消能设施(关于消力池内的水流流态，设计中通过水力学水工模型试验进行验证，试验成果见第4节)。另外，可根据机组的实际引用流量调整锥阀的开度、精准控制下泄流量，为了联动控制，锥阀与各发电机组一一对应，均为3台。

3.2.2 引水明渠

引水明渠断面大，纵向底坡小，水头损失小，沿地形等高线布置，兼顾挖方和填方。本工程中，引水明渠采用半挖半填的方式，且较大部分为挖方。

引水明渠纵坡和断面设计主要依据水力学计算，计算包括明渠过流能力和水面线计算等。本工程中，引水明渠长度超过3 km，为长引水渠道，对于顺长渠道，可按均匀流计算公式进行计算，实际过流能力为42.6 m3/s。水面线按明渠恒定非均匀流计算公式进行计算，在3台机额定工况下，沿线水深为3.70～3.81 m。若机组突然增加负荷或者甩负荷时，明渠、压力前池、调压室、厂房段的引水系统会出现复杂的非恒定流形式，需采用数值仿真模拟软件进行计算。为保证明渠内水流不发生漫顶事故，在明渠首部和尾部均设置了侧向溢流堰。

引水明渠采用天然地基及填筑土堤作为防渗体基本可行，但土堤耐久性稍差，在长期浸水情况下，可能出现渗透破坏的现象。为提高明渠耐久性，采用素混凝土衬砌作为防渗体[1]。衬砌厚12 cm，大于规范规定的最小厚度8 cm(流速小于3 m/s)[2]，并兼顾减小渠道渗流量、提高结构耐久性和方便施工等因素。为防渠道在放空检修期间外水压力对衬砌造成抬动破坏，衬砌底部设置有碎石垫层，厚20 cm。为避免明渠土堤渗透失稳，在碎石垫层下部铺设1层土工布。在明渠衬砌外设排水花管，便于将渗漏水及时排泄至堤外。

3.2.3 压力前池和压力进水口

压力前池布置在明渠末端，往下游走即为缓坡、陡坡，前池布置在山脊顶部较为合适。前池段地面高程为1 029.00～1 025.00 m，前池需要在开挖后形成矩形箱式结构。

压力前池和压力进水口上游为无压引水，下游为有压引水，须满足水流的平顺过渡，进水口底板高程主要由淹没水深来确定。前池正常蓄水位为1 029.00 m，底板高程为1 015.50 m，进水口实际淹没水深为4.09 m，高于戈登公式计算的最小淹没水深。

压力前池和引水明渠可整体概化为水库，机组负荷变化过程中，水位变幅较小，前池的容积无需过大，可通过水力过渡过程计算复核。

3.2.4 压力钢管

压力钢管沿地形布置，分为上平段、斜坡管段及下平段，分别长约1 146.0、1 121.3 m和20 m。上平段布置于宽缓山脊上，纵向地形平坦。斜坡管段沿斜坡布置，地形起伏，坡度7°～30°。管线在平面上设置3个转弯，立面上，钢管根据实际地形下降并设置转角。

压力钢管采用分段式布置，由一系列镇墩、支墩支撑及固定，每个镇墩下游侧设置波纹管伸缩节。每隔150 m左右或者在转弯部位设1个镇墩，转弯段转弯半径为20 m，沿线共布设14个镇墩；镇墩基础为强风化或弱风化玄武岩，基础需固结灌浆和布置插筋。镇墩间每隔8～10 m设1个支墩，支墩坐落在持力土层上。结构计算主要包括镇墩、支墩稳定计算和钢管应力计算。墩、支墩稳定计算主要复核结构尺寸，并可通过调整伸缩节位置和墩、支墩基础高程等对结构尺寸优化，如在平坡段，将伸缩节设置在镇墩间管道中点，镇墩体积可大幅缩小[3]。钢管应力计算中，支撑环和支座设计是重点，可通过三维有限元软件进行计算和优化调整。

3.2.5 调压室

根据水流惯性时间常数[Tw]=2～4 s的要求[4]，引水系统有必要设置调压室。调压室布置在压力管道平坡段，只能采用地面调压塔的形式。调压室稳定断面面积按托马准则计算[4]，稳定断面面积仅为12.4 m2。通过水力过渡过程计算分析后拟定调压室断面尺寸，实际为圆形，直径为11.0 m。除此之外，调压室阻抗孔尺寸、底板高程和顶部高程等均根据水力过渡过程计算成果确定。由于调压室高约30.5 m，内水压力高且在机组增、减负荷过程中水位变幅大，调压室筒壁采用钢筋混凝土和钢板内衬的结构，总厚度为1.0 m。

4 水工模型试验

本工程中，引水钢管出口采用锥阀精准控制下泄流量，同时兼有部分消能的功能。为进一步消能、改善水流流态，在锥阀出口设置了消力池。消能效果通过水力学水工模型试验验证，试验研究主要包括：观测、量测与分析消力池内水流流速、压力、流态等各项水力参数，并包括下游明渠的水流流速、流态等。水工试验模型几何比尺为1∶18，引水钢管、锥阀和消力池等采用有机玻璃制作，明渠采用水泥砂浆抹制。

成果显示，水流经锥阀入射消力池，水流为淹没水跃、底流消能。消力池内水流平稳，水面波动小，消能效果较好(见图4)。消力池内水面线较平顺，水面波动较小，其中，消力池末端水面波动约在3 cm以内，引水明渠首端水面波动约在2 cm以内。下游河道流速分布较均匀，流速不大于1 m/s。最小流速发生在消力池出口断面，面流速约为0.45 m/s。引水明渠断面各断面流速分布较均匀，约为0.9～1 m/s。

5 引水系统水力过渡过程计算

受工程区实际地形控制，电站调压室布置在压力管道中部的缓坡段上，其上、下游钢管分别长约1.1、1.1 km，距发电机组较远。引水系统包括多个水力机械设备，设备间须统一联合调度，确保引水明渠和压力前池间水位变化平顺。因此， 电站水力过渡过程较为复杂[5_8]。

根据引水系统水力学特性，研究了两种水力调节模式：一是前池调节模式，通过调节机组出力确保前池水位基本不变，电站出力由锥阀下泄流量控制，调节过程简单，但调节时间长。二是消力池水位调节模式，通过调节锥阀开度确保消力池水位基本不变，调节过程复杂，但可满足快速调节的需求。电站在喀麦隆的电网中占比大，推荐采用消力池水位调控模式。

相比常规电站，水力过渡过程计算中，压力前池水位的波动是研究重点。压力前池内的水位波动必须控制在合理区间，甩负荷时不漫顶，增负荷时不拉空。经计算，最低水位为1 028.4 m，对应工况为：上游正常运行水位1 029.00 m，下游最低尾水位807.63 m，3台机组同时开机增加至满负荷。最高水位为1 029.8 m，对应工况为：3台机同时甩额定出力的工况。

其他成果为：

6 结 语

本工程位于非洲喀麦隆中北部，为典型的热带草原气候，全年呈现明显的雨季和旱季，降雨量分配不均匀。根据工程实际地形、地质条件拦河建坝，水库库容大，为年调节水库。本工程为引水式水电站，采用多级供水形式。引水系统建筑物种类多，各建筑物间的水力衔接设计是本工程的设计重点。