咖啡山（Mount Coffee）水電站于1967年正式運(yùn)行發(fā)電，在內(nèi)戰(zhàn)爆發(fā)前，成功為利比里亞提供電力23 a，發(fā)電量占全國(guó)總電力的20%。

1989～2003年，利比里亞爆發(fā)了兩次內(nèi)戰(zhàn)。第一次內(nèi)戰(zhàn)早期，咖啡山水電站所有發(fā)電機(jī)組停止了運(yùn)行，當(dāng)時(shí)時(shí)逢集中強(qiáng)降雨的1990年8月份，由于溢洪閘無人管控，水庫(kù)水位持續(xù)上漲，最后導(dǎo)致一處壩體潰決，一座長(zhǎng)約180 m的土壩被水流沖毀，發(fā)電廠房被淹。隨后幾年，水電站所有非嵌入式設(shè)備、發(fā)電設(shè)備和絕大部分的水工鋼結(jié)構(gòu)均遭毀壞。

內(nèi)戰(zhàn)前，利比里亞國(guó)家電力公司（LEC）擁有裝機(jī)200 MW，包括水電、重油和柴油發(fā)電，但在內(nèi)戰(zhàn)沖突中利比里亞電力基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞。

1 修復(fù)過程

咖啡山水電站位于利比里亞首都蒙羅維亞北約25 km處，是一座徑流式電站，主壩為土壩，兩側(cè)為弧型閘門溢洪道及3座副壩（即前池壩）。圣保羅河水由前池渠進(jìn)入取水建筑物，經(jīng)4條壓力管流向水輪機(jī)，通過長(zhǎng)800 m的尾水渠流回到下游主河道。

修復(fù)項(xiàng)目資金來自歐洲投資銀行，是由德國(guó)政府通過德國(guó)復(fù)興信貸銀行、挪威通過挪威外交部、美國(guó)千禧挑戰(zhàn)公司（MCC）及利比里亞政府共同提供的優(yōu)惠貸款和贈(zèng)款。

2012年初，挪威外交部要求曼尼托巴水電國(guó)際公司（MHI）提供一份重建咖啡山水電站的報(bào)告。MHI在利比里亞電力公司內(nèi)成立了一個(gè)半自治的項(xiàng)目籌備組（PIU），代表各利益相關(guān)方全權(quán)負(fù)責(zé)項(xiàng)目的重建工作。

PIU組織了項(xiàng)目咨詢國(guó)際招標(biāo)。2013年初，諾普蘭（Norplan）和費(fèi)希特納（Fichtner）組建的聯(lián)合體（JV）中標(biāo)，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及工程監(jiān)理。隨后成立了項(xiàng)目專家小組委員會(huì)，指導(dǎo)項(xiàng)目工作的開展，并確保工程達(dá)到世界級(jí)水準(zhǔn)。

2014年1月，進(jìn)場(chǎng)道路、圍堰、營(yíng)地等前期工程啟動(dòng)，并于2014年9月份基本完成。前期工作完成后，開展了主溢洪道、土壩、發(fā)電廠房、取水建筑物等的前期勘察工作。

2014年9月至2015年5月，西非爆發(fā)埃搏拉疫情。期間，該項(xiàng)目的詳勘、研究與采購(gòu)工作大部分暫停。2015年8月，土建承包商開始清理長(zhǎng)滿植被的場(chǎng)地，修建進(jìn)場(chǎng)道路，開挖探坑，打機(jī)鉆孔，地質(zhì)勘探工作得以重新開展。

修復(fù)項(xiàng)目常常面臨著原設(shè)計(jì)方案意圖和建筑物施工條件不明等問題，咖啡山水電站修復(fù)項(xiàng)目所面臨的困難，在于建設(shè)資料和運(yùn)行記錄的缺失，水文、地質(zhì)、測(cè)量資料有限，僅存一套1960年代的招標(biāo)圖紙、發(fā)電廠房的設(shè)計(jì)草圖以及灌木叢生的壩址。

最初的打算是將電站恢復(fù)到戰(zhàn)前的狀態(tài)，盡可能提升原有4臺(tái)混流式水輪機(jī)功率，安裝丟失的水工鋼結(jié)構(gòu)，重建潰決壩段，修復(fù)殘存的土壩，恢復(fù)土建建筑物。后來在工作中發(fā)現(xiàn)，大壩及其附屬建筑物的安全性能也需要提升。原壩只有主溢洪道調(diào)節(jié)庫(kù)水位和泄洪，安裝有高11 m、寬12 m的弧型閘門，而沒有應(yīng)急溢洪道。除了1990年潰壩事件外，1982年還發(fā)生過弧形閘門操作失靈導(dǎo)致的洪水漫頂事件。

新的設(shè)計(jì)包括：抬高壩頂高程，加固溢洪閘，防止洪水漫頂；為溢洪道閘門安裝動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)，保證閘門啟閉動(dòng)力冗余；新修建一條無閘應(yīng)急溢洪道，在溢洪道閘門發(fā)生失靈時(shí)保障大壩的安全性。通過這些措施，大壩的安全性將得到整體提升。

在國(guó)際援助組織的幫助下，利比里亞成功戰(zhàn)勝了埃搏拉疫情，2015年5月埃搏拉風(fēng)險(xiǎn)降到了合適的級(jí)別。PIU和工程師團(tuán)隊(duì)的工作重啟，制定了針對(duì)疾病爆發(fā)而延誤工期的邊設(shè)計(jì)邊施工措施，計(jì)劃在2016年12月達(dá)到第一臺(tái)水電機(jī)組發(fā)電的目標(biāo)。最初承包主合同為4份，為了縮短項(xiàng)目關(guān)鍵路徑，將主合同數(shù)量增加到6份。

至2015年8月底，6家承包商均進(jìn)場(chǎng)：福伊特（Voith）水電公司（德國(guó)）為發(fā)電設(shè)備商；唐納斯（Dawnus）國(guó)際有限公司（英國(guó)）為土建承包商；安德里茨（Andriz）水電公司（澳大利亞）為水工鋼結(jié)構(gòu)商；國(guó)家承包有限公司（沙特）為變電站承包商；艾爾泰爾線（Eltel）路公司（瑞典）為線路承包商；PSM聯(lián)營(yíng)體（利比里亞）為營(yíng)地建造承包商和營(yíng)地服務(wù)提供商。

2016年8月，水電運(yùn)行國(guó)際公司（瑞士）承簽了運(yùn)維及培訓(xùn)合同，這是項(xiàng)目簽訂的第7份主要承包合同。眾多合同在管理上形成了相當(dāng)多的合同界面，為此需采取新的設(shè)計(jì)方案來修復(fù)電站，使項(xiàng)目管理進(jìn)一步復(fù)雜化。

2 發(fā)電量大幅增加

原咖啡山水電站機(jī)組運(yùn)行水位18～23 m，由于混流式水輪機(jī)通常不適合在這樣的低水頭下運(yùn)行，為機(jī)組升級(jí)帶來了挑戰(zhàn)。最初的評(píng)估也包括研究安裝其他類型發(fā)電機(jī)組的可行性，如轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)、阿基米德螺旋水輪機(jī)。與混流式水輪機(jī)相比，其他水輪機(jī)的運(yùn)行環(huán)境更加靈活，在較大范圍運(yùn)行水頭下輸出功率更穩(wěn)定；而混流式水輪機(jī)的功率曲線則很陡。安裝其他水輪機(jī)需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改造，盡管具有理論上的可行性，但在規(guī)定的工期內(nèi)并且在不增加投資的情況下，額外的工作并不具有實(shí)際價(jià)值。

該項(xiàng)目的主要制約因素是原有混凝土結(jié)構(gòu)、水道走向、水力參數(shù)、水輪機(jī)組等均已限定，因此只能進(jìn)行有限的結(jié)構(gòu)改造。

福伊特公司承擔(dān)水道的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析，以優(yōu)化新水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)。目的在于確定新水輪機(jī)導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)輪的最佳水力設(shè)計(jì)，同時(shí)調(diào)整已有的固定導(dǎo)片及尾水管。

結(jié)果表明，調(diào)整固定導(dǎo)片邊緣會(huì)大大減少水頭損失，從而提高水輪機(jī)的功率輸出。針對(duì)尾水管調(diào)整研究了兩種方案：①調(diào)整尾水管錐管，使來自轉(zhuǎn)輪的水流平順通過；②研究調(diào)整底板的可行性，減少分流和回流。結(jié)果顯示，對(duì)尾水管錐管進(jìn)行任何調(diào)整都不能增加水輪機(jī)功率。

水輪機(jī)最終設(shè)計(jì)與原有建筑物相匹配，調(diào)整固定導(dǎo)片和懸掛轉(zhuǎn)輪使得水輪機(jī)流量增大。盡管幾何邊界條件不佳，但利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行現(xiàn)代水輪機(jī)設(shè)計(jì)可以大幅提高水輪機(jī)輸出功率。升級(jí)后每臺(tái)發(fā)電機(jī)組容量為22 MW，而原1、2號(hào)機(jī)組僅為15 MW，3、4號(hào)機(jī)組僅為17 MW，電站總?cè)萘吭黾恿?8%。

發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)如下：

渦輪轉(zhuǎn)速 143 r/min

額定水頭 23 m

額定功率 22 MW

單位最大流量 108 m3/s

機(jī)組功率的提升也具有挑戰(zhàn)性。原1、2號(hào)發(fā)電機(jī)組和3、4號(hào)發(fā)電機(jī)組的基座高程和間距不同，基座錨固力不能承受發(fā)電機(jī)組升級(jí)后增加的荷載。原電站建設(shè)竣工圖已丟失，因此決定重新布置發(fā)電機(jī)座中的鋼筋。首先拆除機(jī)座大量的混凝土，使用了高壓水的“水力拆除”技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以拆除混凝土而保留其中的鋼筋，后期澆注混凝土?xí)r將新老鋼筋搭接，使所有發(fā)電機(jī)都安裝在同一高程。

電站廠房?jī)?nèi)同時(shí)開展幾項(xiàng)工作是有困難的，適當(dāng)隔離水力拆除場(chǎng)地，以及廠房?jī)?nèi)同時(shí)開展工作的承包商間的密切協(xié)作，保證了施工的順利進(jìn)行。

發(fā)電機(jī)組改造是項(xiàng)目中最富挑戰(zhàn)性的工作，但也僅僅是重建工作的一部分，進(jìn)水口和廠房?jī)?nèi)所有非嵌入式設(shè)備都已被拆除，需要重新安裝攔污柵、進(jìn)水閘門、尾水閘門、廠房起重機(jī)和電站的其他附屬設(shè)備。而為了維持原電站機(jī)組運(yùn)行，原進(jìn)水閘門已用作隔斷。新的進(jìn)水閘門設(shè)計(jì)采用了液壓自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)，極大提高了發(fā)電機(jī)組運(yùn)營(yíng)的安全性，因?yàn)樵娬緵]有安裝進(jìn)水球閥，改造時(shí)也沒有足夠的安裝空間。

3 土建設(shè)計(jì)與大壩安全

2015年，國(guó)際大壩委員會(huì)斯塔萬格會(huì)議明確強(qiáng)調(diào)，需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)機(jī)械操控溢洪道的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)大壩臨界安全運(yùn)行完全依賴于機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)認(rèn)識(shí)到其帶來的高風(fēng)險(xiǎn)，并應(yīng)在新設(shè)計(jì)中加以考慮。如咖啡山水電站項(xiàng)目，在內(nèi)戰(zhàn)期間前池壩的潰決就是這種初始設(shè)計(jì)導(dǎo)致的直接后果。

最終分析認(rèn)為，在主壩南側(cè)建造與自然河道相連的固定反弧溢洪道是最理想的解決方案。溢洪道開挖出來的石料可用作土壩的防沖和拋石，減少了開挖棄料堆渣的費(fèi)用。綜合各種因素，最終決定使用砌石混凝土作為建筑材料。

大壩砌石混凝土技術(shù)綜合了古代人工建筑工藝和最新設(shè)計(jì)方法，具有投資低、耐久性好、強(qiáng)度高、施工便利等優(yōu)點(diǎn)，很適合于咖啡山水電站高2 m、長(zhǎng)220 m的應(yīng)急溢洪道建設(shè)。

設(shè)計(jì)增加的應(yīng)急溢洪道，可以將“通常原因”溢洪道閘門失靈導(dǎo)致的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)從1 a一遇降低到50 a一遇，還能額外增加溢洪道泄洪能力。溢洪道閘門完全開啟時(shí)，能將極端洪水過洪能力從13 750 m3/s提高到17 350 m3/s，便于可能的最大洪水通過改進(jìn)后的溢洪道系統(tǒng)。

大壩加高和潰決壩段的重建同樣面臨挑戰(zhàn)。評(píng)估發(fā)現(xiàn)，部分壩段壩體狀況良好，而其他壩段在洪水漫頂事件中被大面積沖蝕或形成大量沖刷坑。另外，部分壩段具有不同的典型橫截面，大部分壩肩形狀不規(guī)則。據(jù)此，復(fù)建工程包括壩坡整修、防滲料填補(bǔ)、反濾料填筑、防沖和拋石、排水系統(tǒng)增設(shè)、安全監(jiān)測(cè)。而對(duì)現(xiàn)有土壩的設(shè)計(jì)，一定程度上受限于現(xiàn)有壩體狀況，但對(duì)潰壩段則可以優(yōu)化筑壩材料和資源。

4 結(jié)語

1989～2003年兩次內(nèi)戰(zhàn)以及2014埃搏拉疫情的爆發(fā)，對(duì)利比里亞能源和全國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了重大的負(fù)面影響。

利比里亞電力公司的發(fā)電量為38 MW，主要是重油或柴油發(fā)電，但在傳輸過程中電量損失率近40%，主要是人為竊電；2017年初，電網(wǎng)高峰容量14～20 MW（1990年之前為200 MW，而人口已經(jīng)從200萬增長(zhǎng)到了500萬）；利比里亞是世界上電價(jià)最高的國(guó)家之一（雖然最近電價(jià)下降到0.39美元/kWh），卻也是全球最窮的國(guó)家之一（根據(jù)世界銀行2014年的統(tǒng)計(jì)，人均國(guó)民生產(chǎn)總值在185個(gè)國(guó)家中排名第181）。

咖啡山水電站的重建將有效降低利比里亞發(fā)電公司的發(fā)電成本，進(jìn)而降低電價(jià)，更能為持續(xù)增長(zhǎng)的用戶所接受。

第1臺(tái)修復(fù)的機(jī)組于2016年12月開始發(fā)電，所有施工預(yù)計(jì)于2017年10月完成。截至2017年2月15日，1、2號(hào)機(jī)組已累計(jì)發(fā)電14 GWh。

咖啡山水電站的修復(fù)是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，多學(xué)科交叉、多種文化交融（20多個(gè)國(guó)家的工作人員參加），各方齊心協(xié)力，取得了巨大成功。

該項(xiàng)目的成功實(shí)施有助于進(jìn)一步推動(dòng)當(dāng)?shù)厮婇_發(fā)，如規(guī)劃的上游維亞（Via）水庫(kù)。如果維亞水庫(kù)建成，咖啡山水電站的4臺(tái)徑流式機(jī)組將可以全年同時(shí)發(fā)電，滿足屆時(shí)對(duì)電力的需求。目前，在最干旱的1～3月份，河水流量完全不能滿足機(jī)組運(yùn)行的需要。

高峰期咖啡山項(xiàng)目施工人數(shù)超過1 000人，其中有650名利比里亞人，極大推動(dòng)了周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從蒙羅維亞到電站25 km的進(jìn)場(chǎng)道路兩旁，大量民房和商業(yè)建筑涌現(xiàn)，沿公路架設(shè)了66 kV輸電線路。

項(xiàng)目所應(yīng)用的技術(shù)不僅包括精心的設(shè)計(jì)方案和制造工藝（如發(fā)電機(jī)組），還有用于應(yīng)急溢洪道施工的勞動(dòng)密集型技術(shù)和傳統(tǒng)工藝。

可以預(yù)見，在將來的很多年里，經(jīng)修復(fù)改造的咖啡山水電站將為利比里亞提供可持續(xù)的清潔能源，并將為這個(gè)國(guó)家的重建做出重大貢獻(xiàn)。