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        巴西卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯電站樞紐的開發(fā)

        2012-04-14 14:38:31巴西阿吉拉爾
        水利水電快報 2012年3期
        關(guān)鍵詞:巴拉溢洪道玄武巖

        [巴西] F.P.阿吉拉爾 等

        巴拉杜斯科凱魯斯(Barra dos Coqueiros)和卡蘇(Ca?u)電站位于巴西戈亞斯(Goiás)州的卡舒埃拉(Cachoeira Alta)和卡蘇市境內(nèi),距巴西利亞約520 km。樞紐由Gerdau Acos Longos AS公司開發(fā)。巴拉杜斯科凱魯斯電站于2010年6月投運,1個月后,卡蘇電站也投入運行。這兩座電站共同組成了克拉魯(Claro)河上的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯樞紐。

        克拉魯河流域匯集了來自卡亞波(Caiapó)山脈的水,其中也包括來自巴拉那伊巴(Paranaíba)河和巴拉那(Paraná)河流域的水。工程所在區(qū)域地勢起伏,絕大部分為高地,海拔650~1000 m,河流在沖刷過程中也造成了一些地勢較低區(qū)域,這些區(qū)域的海拔在350~650 m之間。

        1 工程研究

        對該流域開展的初步研究工作始于1991年,完成于1995年。當(dāng)時,戈亞斯州確定了一些可以開發(fā)、且裝機容量為100 MW左右的電站工程,并初步確定了這些工程主要建筑物的基本技術(shù)參數(shù)。

        20世紀(jì)90年代末,經(jīng)研究,曾擬定了一份韋爾迪(Verde)河和克拉魯河流域內(nèi)可以實施開發(fā)和建壩的壩址清單。這項研究結(jié)果表明,兩個流域具有豐富的水力蘊藏量,如果對其實施開發(fā),可修建12座電能成本-效益指數(shù)誘人且環(huán)境影響極小的水電站。

        2000~2001年,Engevix工程公司對這些擬建電站的技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境可行性開展了研究,研究結(jié)果促成了現(xiàn)在的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯綜合樞紐工程。在開展這項研究的過程中,還確定了這兩座電站的主要參數(shù)、壩址和壩軸線。而且,當(dāng)時所進行的工程和環(huán)境可行性研究結(jié)果,也證實了工程將產(chǎn)生的經(jīng)濟效益以及非常有限的環(huán)境影響。

        2006~2007年,Engevix公司開展了與該樞紐基本設(shè)計有關(guān)的研究工作。在這一階段,新的研究工作內(nèi)容包括可行性研究基礎(chǔ)上的有效信息分析、地形測量、對壩址處開展補充性地質(zhì)-巖土勘測工作等。在該階段的研究工作中獲得的新信息,更新了早期的地質(zhì)和水文研究數(shù)據(jù)資料。

        在該階段,還進行了能量特性的聯(lián)合評估,以便確定各電站擬裝機組的理想數(shù)量。評估結(jié)果表明,巴拉杜斯科凱魯斯電站適合布置2臺45 MW的機組(優(yōu)于安裝3臺30 MW機組的方案)。對于卡蘇電站來說,安裝2臺32.5 MW的機組要優(yōu)于安裝3臺21.67 MW的機組方案。同時,還證實了機組的安裝數(shù)量不會影響系統(tǒng)運行的可靠性,這就進一步確定了樞紐的保證出力。

        2 壩址及其地質(zhì)特性

        工程壩址所在地區(qū)的地質(zhì)為含有S?o bento界白堊紀(jì)-侏羅紀(jì)的Serra Geral巖層的玄武巖,且嵌入巴拉那河流域。巖石層的特點是出現(xiàn)連續(xù)的、近乎水平的玄武巖層,帶有相互陷套的裂口,并夾有充滿了方解石、非晶質(zhì)的石英石以及玉髓的氣孔-杏仁狀的玄武巖。

        確定有幾條寬度為幾毫米的傾斜裂縫和近乎豎直的裂縫,它們與近乎是水平狀的不連續(xù)的巖層相連。這些裂縫充滿著碳酸鹽和石英,其余裂縫的表面上有氧化層和/或縫內(nèi)充填有富含鐵的高嶺土,厚度為幾厘米。玄武巖層又分為致密玄武巖、氣孔-杏仁狀玄武巖和玄武巖質(zhì)裂口。

        在開挖巖石時,需要對巖層的地質(zhì)形狀、劇烈破裂、與礦物變化有關(guān)的復(fù)雜不連續(xù)系統(tǒng)、各種地質(zhì)力學(xué)特性的玄武巖和壩基上近乎水平狀的節(jié)理斷層進行不同方式的處理。與巴拉杜斯科凱魯斯電站壩址處的巖石層的地質(zhì)力學(xué)特性相比,卡蘇電站壩址巖石層的地質(zhì)力學(xué)特性更為不利,因為它更靠近巖層邊沿。

        整個深度范圍內(nèi)的所有土壤剖面,被確定為具有玄武巖質(zhì)富含鐵的高嶺土殘積土壤,且疊加了厚度約為2 m的微紅富鐵高嶺土崩積層,包括玄武巖塊和紅土化的碎片。沖積層的沉積物為帶有幾層灰色的淤泥-粘土質(zhì)的物質(zhì)。

        由于地質(zhì)力學(xué)抗力小,且易于風(fēng)化,不可能使用玄武巖層作為骨料和/或堆石保護,因此,必須將這些物質(zhì)從混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上移走。

        3 電站的主要特性

        3.1 卡蘇電站

        該電站裝機容量為65 MW,毛水頭為28.2 m,大壩高40 m,長625 m,左岸壩段為混合剖面。右岸壩段長243 m,布置有RCC壩、溢洪道、進水口,截流系統(tǒng)采用長170 m的均質(zhì)壩封堵。

        卡蘇電站水庫正常最高水位為477 m。水庫水面面積 16.68 km2,庫容 2.2745億m3。

        溢洪道具有克里杰(Creager)流體動力水流曲線,溢流堰頂高程為 464.55 m。溢洪道由3孔組成,每孔高 12.45 m,寬 9.2 m,由弧形泄洪閘門控制。孔口尺寸按泄洪流量2521 m3確定,確保水位不超過設(shè)定的水庫水位。

        曾經(jīng)將施工期間的導(dǎo)流建筑物設(shè)想為一條隧洞。然而,在對建筑物的布置進行優(yōu)化設(shè)計時,采用了另一比選方案,即在位于溢洪道旁的重力壩上,設(shè)計了4條5×4 m(H×W)由閘門控制的渠道。

        電站與進水建筑物連為一體。電站廠房內(nèi)裝備了2臺轉(zhuǎn)槳式水輪機及混凝土蝸殼,每臺水輪機的額定功率為33.16 MW,與36.1 MVA的三相發(fā)電機連接。

        3.2 巴拉杜斯科凱魯斯電站

        該電站裝機容量為90 MW,位于卡蘇電站下游30 km處,毛水頭為37.4 m,壩高41 m,壩長855 m,由均質(zhì)土壩和RCC壩段組成。左岸壩段長200 m,布置的主要建筑物有溢洪道、進水口和RCC鎖壩。

        巴拉杜斯科凱魯斯電站水庫正常高水位為448 m,水庫水面的表面積為 25.55 km2,庫容為 3.478億m3。

        溢洪道壩段由具有克里杰流體動力水流曲線的混凝土重力壩組成,堰頂高程為435.55 m,溢洪道由3孔組成,高 12.45 m,寬 9.2 m,各斷面由弧形泄洪閘門控制。設(shè)計泄洪流量2626 m3,不超過水庫水位。壩剖面有稍許的變化,允許組合高程較低的RCC建筑物,這樣,在泄洪閘門出現(xiàn)故障或洪峰超過預(yù)期流量時,可以增加電站的安全性。采用消力池消能,消力池接收來自挑流鼻坎的射流。

        導(dǎo)流系統(tǒng)包括4條尺寸為5 m×4 m(H×W)的導(dǎo)流渠,位于3孔溢洪道中2孔的下面。

        電站與進水口各自獨立,裝備有2臺轉(zhuǎn)槳式水輪機,每臺水輪機配有鋼蝸殼,額定功率為45.91 MW,與額定功率50 MVA的三相發(fā)電機連接。

        3.3 變電站

        由于兩座電站的實際位置相距較近,因此,對于與巴西國家電網(wǎng)(SIN)的電氣連接系統(tǒng)進行了重新評估。起初的設(shè)想是使兩座電站單獨聯(lián)網(wǎng),然而,經(jīng)認(rèn)真研究,發(fā)現(xiàn)較好的方案應(yīng)該是在兩座電站與國家電網(wǎng)互聯(lián)之前,先通過一座集合變電站將兩座電站連接在一起。而且,從技術(shù)和經(jīng)濟的角度來看,這種連接方法比較有利。

        4 機電設(shè)備

        在開展可行性研究和前期設(shè)計過程中,確定了兩座電站各自最適合的機電設(shè)備。卡蘇電站選用立軸轉(zhuǎn)槳式水輪機和混凝土蝸殼;巴拉杜斯科凱魯斯電站選用相同類型的水輪機,但其蝸殼為鋼質(zhì)。

        兩座電站的設(shè)備特性和電氣系統(tǒng)的設(shè)計確定為:每座電站各自安裝的2臺發(fā)電機組采用共同的母線,并連接到一條13.8 kV的母線上,該母線通過離相母線與升壓變壓器相連。該升壓變壓器將電壓升高到230 kV,并通過單回路專用輸電線,將各電站與電網(wǎng)相連。

        這種母線布置方式的主要特性是,可以提高電站的短路水平,但是在機電設(shè)備的選型階段,則要求倍加謹(jǐn)慎,以確保選用的設(shè)備性能符合先前的計算水平。

        13.8 kV的母線系統(tǒng)通過變壓器和安裝在發(fā)電機中性點上的電阻接地,以便在15 A相-地電流發(fā)生故障時,能夠限制短路電流。

        至于機械的輔助系統(tǒng),設(shè)計有封閉的冷卻水系統(tǒng),以防止能與鐵發(fā)生反應(yīng)的細(xì)菌在管道和設(shè)備內(nèi)繁殖,以及用于防止熱交換器和管道在多年后出現(xiàn)堵塞。

        這些措施有助于確保電站高效、安全的長時期地運行。當(dāng)然,這些也得益于對河水各項指標(biāo)進行的分析,分析結(jié)果表明,水中有許多細(xì)菌,在與管道中的鐵接觸時,這些細(xì)菌具有很高的繁殖潛力。因此,采用封閉式系統(tǒng)的布置方案被認(rèn)為是極其適宜且非常正確。

        5 最終設(shè)計

        在2008~2010年的最終設(shè)計階段,對兩座電站進行了水工模型試驗,試驗結(jié)果顯示,需要對電站的布局做出相應(yīng)的調(diào)整。在卡蘇電站壩的下游左側(cè),必須設(shè)置一座巖石水利丁壩,以阻止壩基以下回流的直接作用。因為這種回流可能是由溢洪道的泄流引起的。

        包括兩座電站廠房在內(nèi)的卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯工程的所有設(shè)計工作,同時由位于巴西利亞(土木設(shè)計)和弗洛里亞諾波利斯((Florianópolis)機電設(shè)計)的Engevix辦公室承擔(dān)。由于涉及多個學(xué)科,因此,需要在配合和接口規(guī)劃方面給予特別的關(guān)注,且各團隊之間的合作應(yīng)相當(dāng)協(xié)調(diào)。

        工程設(shè)計使用了CAD 3D技術(shù),使工程的各個部分都能滿足可視化的要求。這樣有助于防止土木和機電結(jié)構(gòu)之間可能發(fā)生的問題,還可以對所有的獨立設(shè)計部分完成最終的集成。

        除了3D計算模擬工具,在工程設(shè)計過程中,還使用了工程管理軟件以協(xié)調(diào)文件的生成、管理和共享,促進各團隊之間的相互合作。

        在兩間設(shè)計辦公室之間,可以通過internet,借助于軟件,實現(xiàn)文件實時共享。一份特定文件一旦完成,其他相關(guān)的設(shè)計團隊和卡蘇、巴拉杜斯科凱魯斯電站工程施工現(xiàn)場的團隊即可以立即獲取。

        該工具還為機電設(shè)備供應(yīng)商的設(shè)計與土木工程部分的整體設(shè)計之間提供了必要的協(xié)作方式。

        這些措施的采用,有助于節(jié)省工程設(shè)計階段所需的時間,避免對設(shè)計的各個部分進行反復(fù)修改,因此加快了工程進度,減少了工程成本。

        6 結(jié)語

        使用有效的現(xiàn)代化計算技術(shù),可以獲得用于各種工程技術(shù)問題的解決辦法,為同步開發(fā)卡蘇和巴拉杜斯科凱魯斯兩座電站創(chuàng)造了條件,而且從技術(shù)和經(jīng)濟角度均可獲得積極的成果,且環(huán)境影響小。

        在工程管理方面采用創(chuàng)新的管理方法,在工程設(shè)計方面采用先進高效的現(xiàn)代化計算工具,可以將工程開發(fā)過程中所涉及的所有人力、財力資源在時間和空間上進行優(yōu)化整合。

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