[] A. P.

安哥拉寬扎河上的水電開發(fā)

[葡萄牙] A. P.達(dá)席爾瓦等

作為國(guó)家能源開發(fā)計(jì)劃的一部分，安哥拉正在開發(fā)幾項(xiàng)大型水電工程，以滿足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的電力需求并推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。分析了該國(guó)東北部寬扎河流域的水電蘊(yùn)藏量，并回顧了該國(guó)水電開發(fā)的歷史和背景。詳細(xì)介紹了該重要河流上已建、在建和擬建的水電工程。

水電開發(fā)；寬扎河流域；安哥拉

寬扎(Cuanza)河上已建的裝機(jī)180 MW的坎班貝(Cambambe )和520 MW卡潘達(dá)(Capanda )水電工程，是目前北方電網(wǎng)的主要電源。北方電網(wǎng)覆蓋了包括首都羅安達(dá)在內(nèi)的地區(qū)，但現(xiàn)在難以滿足當(dāng)前和未來(lái)的電力需求。從2016年到2022年，將有一系列新項(xiàng)目投運(yùn)，如升級(jí)改造后的坎班貝一級(jí)水電站(267 MW)、坎班貝二級(jí)水電站(714 MW)、勞卡(Lauca)水電站(2 070 MW)和卡庫(kù)洛卡巴薩(Caculo Cabagca)水電站(2 172 MW)，這些水電項(xiàng)目將確保該地區(qū)未來(lái)的持續(xù)供電。

COBA工程環(huán)境咨詢公司長(zhǎng)期參與安哥拉的水電潛能開發(fā)，特別是在寬扎河流域。20世紀(jì)80年代，COBA公司設(shè)計(jì)了坎班貝二級(jí)和卡潘達(dá)水電站。從2012年起，COBA公司與寬扎河中游開發(fā)辦公室(GAMEK)簽訂的合同涉及寬扎河流域所有在建或擬建的水電工程。其職責(zé)包括：①坎班貝二級(jí)水電站和勞卡水電站的工程管理、設(shè)計(jì)審查及施工監(jiān)理；②裝機(jī)950 MW的曾扎(Zenzo)水電站的規(guī)劃和初步研究的審查；③卡庫(kù)洛卡巴薩水電站的詳細(xì)設(shè)計(jì)和招標(biāo)文件。2014～2015年間，COBA公司還為坎班貝壩加高工程進(jìn)行了大壩安全分析。

1 寬扎河流域的水電蘊(yùn)藏量

1.1 寬扎河流域

寬扎河流域是安哥拉最重要的水源地，集水面積151 250 km2，覆蓋馬薩姆巴(Macamba)高地、馬朗吉高地，以及萬(wàn)博省、比耶省、南寬扎省、北寬扎省、本戈省和羅安達(dá)省。 寬扎河起源于安哥拉高地，靠近萬(wàn)博市，海拔約1 500 m，流經(jīng)1 000 km左右在羅安達(dá)以南60 km處匯入大西洋。寬扎河流域和水系位于南緯7°40’～13°55’、東經(jīng)13°00’～19°l0’之間，主要分為3大河段，見圖1。

圖1 寬扎河流域示意

(1)寬扎河上游。面積約93 000 km2，從源頭延伸到安哥拉高地上海拔約1 000 m的孔多(Condo)瀑布，干流主要為南北流向。

(2)寬扎河中游。面積約23 000 km2，長(zhǎng)約200 km，位于坎甘達(dá)拉(Cangandala)和坎班貝之間，流向主要由東向西，主要落差和急流集中在這一河段，因此該河段的水電蘊(yùn)藏量最大。

(3)寬扎河下游。從坎班貝到河口，面積約34 000 km2，主要為東西流向。

由于其地處非洲副赤道帶，寬扎河流域氣候?yàn)闊釒夂?，冬季為旱季。流域年降水量不一，中部? 400 mm，近海洋處為600 mm，全流域平均年降水量約為1 200 mm。

1.2 安哥拉的水電資源

由于其地理、地貌和氣候特征，安哥拉擁有大量的水電資源，已成為眾多規(guī)劃研究的目標(biāo)，且也已開展了許多壩址的水電勘察設(shè)計(jì)。據(jù)估算，安哥拉的水電可開發(fā)容量為25 000 MW。

最近，安哥拉政府將發(fā)電尤其是水電列為優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目，以滿足該國(guó)不斷增長(zhǎng)的電力需求，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在能源和水利部(MINEA)下屬GAMEK的支持下，政府在水電領(lǐng)域投入大量資金，主要用于修復(fù)改造舊水電站以及在寬扎河上新建水電站。

2015年，安哥拉252萬(wàn)人口的年用電量約為9 437 GW·h，由于供電嚴(yán)重受限，人均年用電量?jī)H為375 kW·h，遠(yuǎn)低于南部非洲國(guó)家的平均水平(1 400 kW·h)，且僅有35%的人口能用上電。目前，水電占總發(fā)電量的58%左右，其余為火電。2015年，安哥拉有9座大、中型水電站在運(yùn)行，總裝機(jī)容量912 MW，年均發(fā)電量約5 650 GW·h，其中寬扎河(坎班貝和卡潘達(dá))占比較大，其裝機(jī)容量和年發(fā)電量分別為700 MW和5 000 GW·h。到2025年，安哥拉規(guī)劃水電總裝機(jī)容量約9 000 MW，占已探明蘊(yùn)藏量的36%。

目前正在進(jìn)行的開發(fā)包括非洲的2項(xiàng)大型水電工程：裝機(jī)2 070 MW的勞卡水電站和2 172 MW的卡庫(kù)洛卡巴薩水電站。到2022年，這兩項(xiàng)工程竣工且坎班貝水電站改造完成后，寬扎河流域總裝機(jī)容量將增加到5 743 MW，年均發(fā)電量將達(dá)27 768 GW·h，主要向安哥拉北部和中部地區(qū)供電，特別是滿足人口密集的羅安達(dá)省的用電需求。

1.3 寬扎河水電開發(fā)背景

寬扎河中游早就被認(rèn)為蘊(yùn)藏巨大的水電潛能，這是因?yàn)槠淞髁看?、有效水頭高，且靠近主要用電中心，特別是首都羅安達(dá)，從海拔865 m、距離河口354.5 km的卡潘達(dá)到海拔16 m、距河口219 km的坎班貝，長(zhǎng)135 km河段的平均坡降為6.3 m/km。圖2顯示了寬扎河中游已建、在建和擬建電站的位置。

圖2 寬扎河上已建、在建及擬建水電站

對(duì)寬扎河水電開發(fā)的研究最早始于1955年，由水工技術(shù)公司(Hydrotechnic Corporation)開展。20世紀(jì)50年代和60年代，寬扎河、本戈河和盧卡拉(Lucala)河研究所及國(guó)家海外發(fā)展研究和融資協(xié)會(huì)(SONEFE)接著進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)查勘和其他研究。由于羅安達(dá)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和棟多(Dondo)的電解鋁行業(yè)發(fā)展，為了滿足當(dāng)時(shí)大量增長(zhǎng)的電力需求，葡萄牙海外部(Ministerio do Ultramar de Portugal)決定在寬扎河中游靠近棟多市的下游區(qū)段實(shí)施坎班貝水電工程。該工程由澤濟(jì)里水電公司(Hidro-Electrica do Zezere)設(shè)計(jì)，1962年投運(yùn)2臺(tái)機(jī)組，其余2臺(tái)于1972年投運(yùn)，當(dāng)時(shí)計(jì)劃裝機(jī)容量260 MW，最初運(yùn)行180 MW，計(jì)劃在二期工程加高坎班貝大壩后，達(dá)到全部裝機(jī)容量。

1966年9月和1972年9月，SONEFE發(fā)布了《寬扎河中游總體規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《總體規(guī)劃》)，確定了寬扎河中游的梯級(jí)水電開發(fā)項(xiàng)目。

20世紀(jì)80年代，COBA工程環(huán)境咨詢公司、葡萄牙能源股份公司(EDP)、水電工程公司(Hidroprojecto)、Enarco機(jī)械公司為SONEFE針對(duì)坎班貝大壩加高工程的改進(jìn)設(shè)計(jì)及坎班貝二期地下廠房(520 MW)開展了詳細(xì)研究，包括廣泛的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和原有信息的匯編，并于1984年完成該項(xiàng)工作。1983～1984年間，COBA公司還為SONEFE設(shè)計(jì)了520 MW的卡潘達(dá)項(xiàng)目，然而這些設(shè)計(jì)未被實(shí)施。

1983年3月，能源工程咨詢公司(Energoprojekt)提交了《安哥拉能源資源調(diào)查報(bào)告》，更新了SONEFE之前的調(diào)查。研究確認(rèn)應(yīng)在卡潘達(dá)修建1座裝機(jī)520 MW的水電站和1座115 m高的大壩，相應(yīng)水庫(kù)應(yīng)備較大庫(kù)容，以調(diào)節(jié)河流流量。卡潘達(dá)水電站于2004年投運(yùn)， 其全部裝機(jī)于2007年投運(yùn)。

表1 寬扎河上已建和在建電站主要特征參數(shù)

2005年，能源水電公司(EngeHidro)承擔(dān)了寬扎河中游水電潛能的簡(jiǎn)要評(píng)估工作，包括大型水庫(kù)的流量調(diào)節(jié)，并與SONEFE和水電工程公司的研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

安哥拉動(dòng)蕩時(shí)期大城市人口激增，和平時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使得能源需求增加，2007年政府指派國(guó)家電力公司(ENE)負(fù)責(zé)坎班貝二期工程建設(shè)。二期工程包括：①加高坎班貝大壩；②改造已建電站，以利用全水頭并達(dá)到已建電站的設(shè)計(jì)容量267 MW；③建設(shè)第2座電站，裝機(jī)714 MW。設(shè)計(jì)工作始于2009年，與Engevix公司簽訂了工程總承包合同，2011年開工。已建電站的改造于2012年12月完工，坎班貝二級(jí)的首臺(tái)機(jī)組于2016年6月投運(yùn)，同時(shí)完成大壩加高工程，第4臺(tái)即最后一臺(tái)機(jī)組于2016年末投運(yùn)。

2010年，互聯(lián)技術(shù)公司(Intertechne)提交了一份有關(guān)寬扎河梯級(jí)開發(fā)的修改方案，并在接下來(lái)的幾年里進(jìn)行了2 070 MW勞卡水電站(包括1座較大的水庫(kù)和大壩)的可行性研究、詳細(xì)設(shè)計(jì)和最終設(shè)計(jì)。該水電站于2012年開工，預(yù)計(jì)2017年年中首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)，2018年全部機(jī)組投運(yùn)，這將顯著增大寬扎河梯級(jí)電站群的裝機(jī)容量和河流流量調(diào)節(jié)能力。

2014年，MINEA 聘用COBA公司為卡庫(kù)洛卡巴薩工程提供詳細(xì)設(shè)計(jì)和招標(biāo)文件的工程咨詢服務(wù)，并于2015年完成該項(xiàng)工作。根據(jù)目前裝機(jī)2 172 MW的方案，導(dǎo)流施工于2016年7月開始，計(jì)劃于2022年末之前全部完工。寬扎河中游已建和在建梯級(jí)電站的主要特征參數(shù)見表1。

到2022年，寬扎河中游電站總裝機(jī)容量將達(dá)5 743 MW，年均發(fā)電量約為27 768 GW·h。寬扎河的流量將由上游的2座大型水庫(kù)調(diào)節(jié)，庫(kù)容總計(jì)106.32億m3。

未來(lái)要完成1972年《總體規(guī)劃》中確定的梯級(jí)開發(fā)，目前這些電站正處于規(guī)劃階段：950 MW的曾扎電站正由CWE公司進(jìn)行初步研究；計(jì)劃裝機(jī)450 MW的圖姆洛多卡加多(Tumulo do Cagador)水電站和計(jì)劃裝機(jī)330 MW的盧因(Luime)水電站則還沒有確定的時(shí)間表。

2 坎班貝水電工程

坎班貝水電工程位于北寬扎省，首都羅安達(dá)西南180 km處，南緯9°45’、東經(jīng)14°29’，是寬扎河上首座大型開發(fā)項(xiàng)目。坎班貝樞紐包括坎班貝大壩、坎班貝一級(jí)電站(裝機(jī)367 MW)和在建的坎班貝二級(jí)電站(裝機(jī)714 MW)。

坎班貝大壩設(shè)計(jì)為后期加高，正常蓄水位從102.15 m(有一個(gè)溢流壩頂)升至130 m，所有的水工建筑物、電站和發(fā)電設(shè)備均分期建設(shè)。二期工程包括大壩加高、二期側(cè)流式溢洪道、二期電站以及泄水底孔的修復(fù)。工程完工后，坎班貝開發(fā)項(xiàng)目，即坎班貝一級(jí)和坎班貝二級(jí)水電站總裝機(jī)容量將從180 MW增加到980 MW，水輪機(jī)額定總流量977 m3/s。該水電工程的主要特點(diǎn)如下。

(1)1座混凝土雙曲拱壩，壩頂高程132.00 m(加高前壩頂高程112.50 m)，壩頂長(zhǎng)300 m。加高20 m后，最大壩高從68 m增加到88 m，庫(kù)容從2 200萬(wàn)m3增加到9 600萬(wàn)m3。

(2)1條新的中央澆口孔口式溢洪道，布置在壩體內(nèi)，設(shè)計(jì)流量4 500 m3/s，裝有5扇19.5 m×16.6 m輥式閘門，取代了原有流量為6 600 m3/s的開敞式溢洪道，溢洪道下接消力池。

(3)1條表孔溢洪道，位于左岸，裝有2扇19.5 m×16.6 m弧形閘門，設(shè)計(jì)過(guò)流量4 500 m3/s。溢洪道泄槽末端為挑流鼻坎，下接無(wú)襯砌預(yù)開挖消力池。

(4)1個(gè)輔助沖沙孔，布置在壩體內(nèi)，通過(guò)短隧洞連接到進(jìn)水口的上游，最大設(shè)計(jì)流量為140 m3/s(加高前為110 m3/s)。

(5)1個(gè)泄水底孔，包括帶淹沒式進(jìn)水口的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，上游為疊梁閘門、下游為控制弧形門的進(jìn)水塔，1條有新通風(fēng)裝置的無(wú)壓隧洞和1座改進(jìn)的挑流鼻坎。泄水底孔最大流量約為727 m3/s(加高前為685 m3/s)，由6 m×3.5 m弧形門控制。

(6)坎班貝一級(jí)電站，包括：①最高為30 m的低水頭進(jìn)水口，裝有攔污柵、疊梁閘門和輥式閘門；② 4條壓力管道長(zhǎng)約140 m；③發(fā)電廠房洞室內(nèi)的4臺(tái)已改造的立軸混流式水輪機(jī)；④2個(gè)洞室式調(diào)壓井；⑤2條長(zhǎng)315 m的尾水隧洞，每條通向2臺(tái)額定容量66.8 MW的發(fā)電機(jī)組，水頭111 m時(shí)，額定流量72 m3/s(總額定容量267 MW，總流量288 m3/s)。

(7)新的坎班貝二級(jí)電站和輸水系統(tǒng)，位于已建坎班貝一級(jí)電站下游約500 m處，使用坎班貝大壩提供的同一流量和水頭。

坎班貝二級(jí)電站將包括水庫(kù)右岸的開敞式進(jìn)水口，4條引水隧洞，1座地面發(fā)電廠房和1個(gè)短出水口。

進(jìn)水口是鋼筋混凝土重力結(jié)構(gòu)，高約25 m，分為4個(gè)構(gòu)造斷面，總寬度86 m，長(zhǎng)31 m。進(jìn)水口上游將裝有4扇6.5 m×8.5 m檢修輥式閘門、同樣尺寸的疊梁閘和6.9 m×13.8 m的攔污柵。

4條壓力引水隧洞，每臺(tái)機(jī)組1條，長(zhǎng)約500 m。隧洞將在巖層中開挖，前端是一條高約50 m的豎井，接長(zhǎng)340 m幾乎水平的洞段，水力斷面直徑7.7 m，用0.4 m厚的鋼筋混凝土襯砌。隧洞末端是內(nèi)徑6.9 m的鋼襯段，長(zhǎng)105 m。排水廊道截面為3.2 m×3.2 m，總長(zhǎng)180 m，位于隧洞初始鋼襯段之上20 m。

地面發(fā)電廠房分為5段鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)劃最大尺寸為47.3 m×130 m，包括主建筑物和檢修區(qū)，總高57 m。電站將裝有4臺(tái)175 MW立式混流式水輪機(jī)，111.5 m水頭下的額定機(jī)組流量為172 m3/s(總額定容量714 MW，總流量688 m3/s)。

開發(fā)項(xiàng)目還包括位于坎布塔(Cambutas)的一座變電站，電壓等級(jí)為400，220 kV和60 kV，有各自的獨(dú)立圍墻。

3 勞卡水電工程

勞卡水電工程位于馬朗吉省、北寬扎省和南寬扎省的交界處，距首都羅安達(dá)西南約270 km。它是寬扎河梯級(jí)開發(fā)的第2級(jí)，在已建卡潘達(dá)水電站下游47 km處。裝機(jī)2 070 MW的勞卡水電項(xiàng)目包括1座碾壓混凝土壩、1套地下輸水系統(tǒng)、主地下電站廠房(2 004 MW)和壩趾處調(diào)控生態(tài)流量的電站(65.5 MW)。

勞卡大壩是1座高132 m的碾壓混凝土重力壩，壩頂總長(zhǎng)約1.1 km，壩頂高程855 m。大壩建在河床中出露的片麻巖體上，左右兩岸壩肩為覆蓋在片麻巖上的堅(jiān)硬沉積巖體(砂巖和粉砂巖)。最高運(yùn)行水位850 m，對(duì)應(yīng)的淹沒面積是185.35 km2，庫(kù)容56.51億m3。

大壩建有一座溢洪道，通過(guò)溢流堰頂?shù)男沽髁靠蛇_(dá)10 020 m3/s，由3扇寬15 m、高 21.96 m的弧形門控制，鋼襯底孔泄流量為800 m3/s，生態(tài)徑流電站引水管的額定流量設(shè)計(jì)為60 m3/s。

施工過(guò)程中，將河水導(dǎo)流到2條14.5 m×14.5 m馬蹄形剖面的隧洞，導(dǎo)流洞位于右岸。在上游38 m高的土石圍堰(頂高程755 m)保護(hù)下進(jìn)行碾壓混凝土壩施工。

水力系統(tǒng)包括右岸開敞式進(jìn)水口，靠近右壩肩，分6個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)，總寬度162 m，最高處在壩基之上74.4 m，在沉積巖體上開挖而成。進(jìn)水口后是混凝土襯砌的調(diào)壓豎井，使用天井鉆進(jìn)方法開挖而成，高度約70 m，開挖斷面直徑8 m，最終內(nèi)徑為7 m。

6條壓力引水隧洞將豎井與主地下廠房的發(fā)電機(jī)組相連，坡度約4%，馬蹄形橫斷面寬10.10 m，高11.33 m，平均長(zhǎng)度為1 900 m，總長(zhǎng)11 557 m(開挖量約110萬(wàn)m3)。靠近廠房有一個(gè)除石機(jī)。廠房最后40 m為鋼襯，水力斷面直徑為8～6.5 m不等，排水廊道位于上游。

主廠房是一個(gè)高52 m、寬21 m、長(zhǎng)294 m的洞室，在片麻巖體上開挖而成，位于地下80 m左右。地面變電站平臺(tái)在不利的地質(zhì)條件下開挖而成。廠房裝有6臺(tái)334 MW的發(fā)電機(jī)組(立式混流式水輪機(jī))，將在200 m凈水頭下運(yùn)行。各機(jī)組將分別安裝在30 m寬的結(jié)構(gòu)塊內(nèi)。主廠房有一塊長(zhǎng)100 m的總裝區(qū)。尾水將通過(guò)短壓力隧洞及其后的小通道(總長(zhǎng)約80 m)回流到河中，末端高程628 m。

該工程還包含電壓等級(jí)為400 kV和220 kV的2個(gè)變電站，分別用于主廠房和生態(tài)徑流調(diào)節(jié)電站廠房。

4 卡庫(kù)洛卡巴薩水電工程

裝機(jī)2 172 MW的卡庫(kù)洛卡巴薩水電項(xiàng)目是寬扎河上梯級(jí)開發(fā)的第3級(jí)，位于勞卡水電站下游19 km、羅安達(dá)市西南260 km處。主要建筑物包括大壩、泄洪建筑物、泄水底孔、左岸地下輸水和發(fā)電系統(tǒng)，以及緊挨著大壩的左岸環(huán)保電廠。

卡庫(kù)洛卡巴薩大壩設(shè)計(jì)高103 m，為碾壓混凝土重力壩，上游混凝土面板(用料145萬(wàn)m3)建在530 m高程的河床出露的片麻巖體上，壩頂總長(zhǎng)550 m，壩頂高程633 m。滿負(fù)荷水位630 m時(shí)，水庫(kù)庫(kù)容為4.36億m3，最大淹沒面積16.6 km2。上游面板垂直，下游面板坡度為0.85∶1。滿負(fù)荷和最高水位時(shí)，左岸需要2座副壩來(lái)圍擋水庫(kù)，其最大高度為36 m，總壩頂長(zhǎng)717 m。

溢洪道位于壩體中央，溢流壩頂泄流量達(dá)10 000 m3/s，由5扇弧形門和下游面板上的一條混凝土陡槽控制，挑流鼻坎的水落入開挖的消力池中，消力池深30 m、長(zhǎng)200 m ，位于壩趾。

導(dǎo)流建筑物最大設(shè)計(jì)流量為3 400 m3/s，相當(dāng)于25 a一遇洪水。將通過(guò)2條位于右岸直徑14.4 m、長(zhǎng)分別為350 m和400 m的導(dǎo)流洞導(dǎo)入河中。

為維持大壩與主輸水系統(tǒng)泄水建筑物之間河段的環(huán)境流量，將緊挨大壩修建1座左岸電站，裝備1臺(tái)52 MW混流式水輪機(jī)，額定流量為60 m3/s。

輸水系統(tǒng)全部在地下，設(shè)計(jì)流量1 100 m3/s。距左壩肩上游 2.4 km的進(jìn)水口直接將水輸送到4個(gè)混凝土襯砌的調(diào)壓豎井，豎井直徑9 m，落差190 m。4條長(zhǎng)60 m的鋼襯隧洞通向地下廠房。地下廠房洞室寬26.5 m、長(zhǎng)221 m、高68 m。

地下廠房將裝備4臺(tái)530 MW的混流式水輪機(jī)和配套的590 MVA的發(fā)電機(jī)，運(yùn)行水頭為202～215 m。單機(jī)流量275 m3/s，總流量1 100 m3/s。變壓器位于地面，通過(guò)2條母線豎井連接洞室。開關(guān)站設(shè)在變壓器旁，位于左岸一處開挖而成的平臺(tái)上。

廠房下游，2條壓力尾水隧洞長(zhǎng)約5 200 m，向上坡度0.4%，將尾水排入寬扎河。尾水隧洞為無(wú)襯砌，斷面為馬蹄形，寬16 m，高16 m。

為確保水力回路的穩(wěn)定性，為瞬態(tài)事件設(shè)計(jì)了大振蕩方案，包括2個(gè)調(diào)壓室，要求其表面積均約為1 000 m2，通過(guò)直徑5.6 m的豎井與水輪機(jī)尾水管相連。

劉明周波譯

(編輯：陳紫薇)

2016-11-20

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