王美齋，陳興亮，邵 穎，羅 暢

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐位于“西非水塔”幾內(nèi)亞西部孔庫雷河中游，距下游已建成凱樂塔水電站6 km，距首都科納克里135 km，其水庫總庫容74.89億m3，總裝機(jī)容量450 MW，多年平均年發(fā)電量20.16億kW·h，為Ⅰ等大(1)型工程。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120 m，大壩按1000年一遇洪水設(shè)計，5000年一遇洪水校核。正常蓄水位210 m，設(shè)計洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，校核洪水位樞紐總下泄流量4 370 m3/s，溢流壩下泄流量2 410 m3/s，泄洪底孔泄量1 956 m3/s。樞紐建筑物主要包括兩岸擋水壩段、發(fā)電引水壩段、導(dǎo)流底孔壩段、泄洪底孔壩段、溢流壩段，及位于左岸發(fā)電引水壩段的壩后發(fā)電廠房。

孔庫雷河干流總長約328 km，流域總控制面積約16 800 km2，凱樂塔水電站以上平均降雨量約為2 000 mm，工程區(qū)年均氣溫26.6 ℃，極端最高溫度約44 ℃，極端最低溫度約8℃；多年平均風(fēng)速約2.4 m/s，瞬時最大風(fēng)速約28 m/s，多年平均年最大風(fēng)速21 m/s；多年平均蒸發(fā)量約1 600 mm。徑流年際變化大，特雷么累站最大年徑流量為167億m3，最小年徑流量為57.6億m3，最大年徑流為最小年徑流的2.9倍，年徑流變差系數(shù)Cv為0.26；徑流年內(nèi)分配不均勻，雨季和旱季相差懸殊，7月～11月徑流量占全年徑流總量的90%，其中8月、9月徑流量占全年徑流量的55%。流域洪水年際變化相對較小，主要發(fā)生在8月，其次為9月和7月，洪水過程為矮胖型，歷時長，一次洪水歷時長達(dá)90 d。多年平均輸沙量100萬m3。

壩址區(qū)河谷相對開闊，形態(tài)呈不對稱的“U”形；兩岸山體雄厚，谷坡寬緩，平均海拔250～400 m，相對高差200 m左右，自然坡度一般為15°～17°，局部達(dá)到40°，地貌上屬于低山丘陵地區(qū)。河谷底寬200～350 m，河水面寬170～310 m。地層巖性主要為第四系殘坡積物、沖洪積物、古生代輝綠巖和奧陶系(粉)砂巖。兩岸岸坡第四系殘坡積物(Qel+dl)覆蓋層最大厚度47.10 m。奧陶系(粉)砂巖主要為薄層鈣質(zhì)砂巖和極薄層泥質(zhì)粉砂巖，互層分布，并以泥質(zhì)粉砂巖為主、巖體完整性及力學(xué)性能較差，變形模量低，有連續(xù)性較好且順層分布的軟弱夾層和泥化夾層，粉砂巖發(fā)育水平泥質(zhì)條帶，泥質(zhì)含量高，遇水軟化，大壩抗滑穩(wěn)定問題突出。河床輝綠巖裸露，頂部強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶層厚3m左右，受風(fēng)化卸荷及水的作用，發(fā)育延伸較長的緩傾角及豎向裂隙，有的脫離母巖成為孤石；弱風(fēng)化卸荷帶層厚3～10m，巖體完整或較完整，裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育，裂隙多閉合或充填石英；微風(fēng)化卸荷輝綠巖巖體完整，裂隙不發(fā)育，局部較發(fā)育。

2 樞紐布置選擇

2.1 壩址選擇

蘇阿皮蒂水利樞紐可研階段在距凱樂塔水電站上游約14 km的河段內(nèi)擬定2個壩址進(jìn)行比較，1號壩址位于凱樂塔水電站上游14 km處，2號壩址位于凱樂塔水電站上游6 km處。1號壩址較2號壩址損失了10 m水頭且出線長度增加了約7 km，從充分利用發(fā)電水頭、減少電站出線長度、方便與凱樂塔水電站聯(lián)合運行管理等方面綜合分析，最終選擇2號壩址即蘇阿皮蒂壩址為推薦壩址。

2.2 壩型選擇

可研階段，根據(jù)地形地質(zhì)條件擬定碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型進(jìn)行了比選，通過分析比較，面板堆石壩與重力壩方案相比，引水洞、地下廠房、導(dǎo)流洞等大量的地下洞室結(jié)構(gòu)潛在地質(zhì)風(fēng)險，導(dǎo)流費用高，料場無用料剝離量大，工期長，綜合效益不占優(yōu)勢，最終推薦碾壓混凝土重力壩方案。

2016年1月與幾內(nèi)亞政府簽署項目建設(shè)合同后，在可研階段壩址壩型確定的基礎(chǔ)上，隨著地質(zhì)勘察工作地深入，綜合地形地質(zhì)條件、建筑物的布置條件、技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性、施工方便性等因素，對碾壓混凝土重力壩方案、碾壓混凝土重力壩+兩岸粘土心墻堆石壩方案和碾壓混凝土重力壩+兩岸截滲墻方案進(jìn)行了深入比選，盡管碾壓混凝土重力壩+兩岸粘土心墻堆石壩方案相比于碾壓混凝土重力壩方案節(jié)省投資，技術(shù)安全相對可靠，但從工期、履約和變更難度等因素考慮，維持碾壓混凝土重力壩方案。

2.3 樞紐布置

可研階段碾壓混凝土重力壩方案，壩軸線長1 148 m，從左岸至右岸依次為左岸擋水壩段、引水壩段、溢流壩段、底孔壩段、右岸擋水壩段，長分別為377、103、231、51、386 m。合同簽訂后，為方便施工及運行期的調(diào)度管理，將泄洪底孔和導(dǎo)流底孔壩段調(diào)整至左岸發(fā)電引水壩段和溢流壩段之間；同時為減少左岸廠房邊坡開挖，將發(fā)電引水壩段右移，盡可能將發(fā)電引水壩段、導(dǎo)流底孔、泄洪底孔壩段和溢流壩段緊湊布置于河床，優(yōu)化調(diào)整后的方案壩線總長1 164 m，共分為52壩段，樞紐布置自左至右分別為左岸擋水壩段423.45 m、發(fā)電引水壩段97 m、導(dǎo)流底孔壩段60 m、泄洪底孔壩段25 m、溢流壩段173.55 m和右岸擋水壩段385 m。大壩為全斷面碾壓混凝土重力壩，發(fā)電廠房位于左岸發(fā)電引水壩段壩后。

3 建筑物布置設(shè)計

3.1 擋水建筑物

擋水壩段總長808.45 m，左岸擋水壩段長423.45 m(其中94.02 m坐落于極薄泥質(zhì)粉砂巖/砂巖水平互層地基上，最大壩高64.9 m)，共18個壩段；右岸擋水壩段長385 m(其中177 m坐落于極薄泥質(zhì)粉砂巖/砂巖水平互層地基上，最大壩高82.5 m)，共16個壩段。砂巖擋水壩段最大壩高82.5 m，上游壩坡豎直，下游壩坡在203.56 m高程以上豎直，以下坡比為1∶0.80；右岸在144.5～175 m高程建基面下游設(shè)置混凝土齒槽，齒槽在建基面處寬11.75～17 m，底部寬6.5 m，深5～10 m；壩后建基面144.5～195.5 m高程回填5～16 m厚的混凝土和0～21 m厚的堆石。輝綠巖擋水壩段最大壩高117.5 m，上游壩坡在150.00 m高程以上豎直，130～150 m高程間坡比為1∶0.1，130 m高程以下為1∶0.2；下游壩坡在202.15 m高程以上豎直，以下坡比為1∶0.70。

3.2 泄水建筑物

3.2.1溢流壩段

溢流壩段在設(shè)計階段全面對無閘門自由溢流方案和有閘門控制方案進(jìn)行了比較，盡管有閘門控制方案具備便于控制調(diào)節(jié)水庫蓄水位，減少水庫放空時間從而為大壩檢修維護(hù)創(chuàng)造時間，以及降低壩高，減少投資等優(yōu)點，但同時也存在運行期洪水管理調(diào)度相對復(fù)雜，運行防洪風(fēng)險相對較大，考慮當(dāng)?shù)剡\維管理水平的實際情況，最終采用無閘門自由溢流方案。

溢流壩段布置于主河床位置，通過不同溢流寬度的施工便利性和經(jīng)濟(jì)性比選，壩段總長確定為173.55 m，共分8個壩段，溢流凈寬169.55 m，兩側(cè)設(shè)2 m寬的導(dǎo)墻。溢流堰采用無閘門控制開敞式表孔溢流堰，堰型采用WES型實用堰。溢流堰堰頂高程210 m，堰面采用WES型冪曲線。溢流壩消能方式為臺階+底流消能，臺階高0.9 m，寬0.648 m，坡比為1∶0.72，坡面臺階與下游護(hù)坦采用無圓弧連接，護(hù)坦頂高程109.0 m，厚1.5 m，護(hù)坦與下部巖體設(shè)直徑Φ32 mm的錨固鋼筋，入巖7.0 m，間排距1.5 m。模型試驗說明，在常年水位、設(shè)計水位和校核水位工況下運行時，臺階溢流壩的消能率均超過70%，消能效果較好。

3.2.2泄洪底孔壩段

通過對壩身無壓泄水孔方案和壩身有壓泄水孔方案的比較，壩身無壓泄水孔方案盡管施存在大壩施工相互干擾較大、啟閉機(jī)室環(huán)境較差、運維交通不便等不利方面，但該方案相對于壩身有壓泄水孔方案，投資較省，經(jīng)過綜合考慮，最終推薦壩身無壓泄水孔方案。

27號泄流底孔壩段布置于導(dǎo)流底孔壩段與溢流壩段之間，壩段長25.00 m，壩頂高程215.50 m，壩頂寬20.40 m，壩基最低開挖高程96.8 m。泄流底孔分為2孔，進(jìn)口體形為橢圓曲線，進(jìn)口底坎高程130 m，進(jìn)口段后設(shè)置5.0 m×7.0 m(寬×高)事故檢修門和5.0 m×6.0 m(寬×高)弧形工作門各一道，壓坡段位于弧形閘門上游，坡度為1∶4.5。事故檢修門與弧形閘門之間布置鋼襯。鋼襯與混凝土之間的縫隙的滲水用型鋼集水槽收集后通過排水管流向下部的基礎(chǔ)廊道。工作弧門后設(shè)置1.2 m高的跌坎，邊墻兩側(cè)各設(shè)0.5 m的突擴(kuò)，跌坎內(nèi)埋設(shè)兩個直徑0.9 m的通氣鋼管摻氣，跌坎后為底坡1∶10泄槽，泄槽長64.59 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半徑28 m，挑流鼻坎高程為125.958 m。

3.3 發(fā)電引水建筑物

發(fā)電引水壩段布置在左岸河床，總長97 m，按5個壩段布置，4個引水口壩段均為19 m，河床擋水壩段為21 m，4條引水管道分別為4臺機(jī)組供水。引水口壩段頂高程215.50 m，壩基底高程103.00 m，壩高112.50 m，頂寬30.63 m，上游壩坡在125.00 m高程以上直立，在125.00 m高程以下坡比為1∶0.20，下游壩坡在184.903 m高程以上豎直，在184.903 m高程以下坡比為1∶0.70。為充分利用進(jìn)水口前的空間，在部分?jǐn)r污柵被污物堵塞時，仍可利用臨近的攔污柵過水，互為備用，在每個進(jìn)水口前設(shè)置通倉式攔污柵，防止污物和漂浮物進(jìn)入進(jìn)水口。為保證水流平順漸變，喇叭形進(jìn)水口為橢圓曲線，其后設(shè)置檢修門和事故門，閘門孔口的面積約等于其后的壓力管道的面積。每個引水壩段(23 m)順?biāo)鞣较蛞来尾贾?孔4.2 m×12.0 m(寬×高)攔污柵，1孔4.5 m×7.0 m(寬×高)檢修門和1孔4.5 m×6.5 m(寬×高)事故門，引水發(fā)電鋼管直徑為5.8 m。

3.4 發(fā)電廠房

發(fā)電廠房布置在引水壩段下游，廠房機(jī)組縱軸線距壩軸線約121 m，基坑開挖最大深度約30 m，基礎(chǔ)坐落在微風(fēng)化輝綠巖上。電站尾水通過約590 m長的尾水渠排至下游河床。為滿足廠區(qū)防洪及交通需要，廠區(qū)平臺高程確定為119.70 m。電站為壩后式地面廠房，采用“一機(jī)一管”的布置方式，總長120.0 m，總寬47.3 m，總高約50.20 m。機(jī)組安裝高程105.0 m，機(jī)組的中心間距為19 m。電站總裝機(jī)容量為450 MW，安裝4臺單機(jī)容量112.50 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

主要建筑物包括主廠房、上游副廠房、下游副廠房、尾水建筑物等。主廠房由主機(jī)間和安裝間組成，垂直于引水鋼管布置，安裝間布置在主機(jī)間的左側(cè)。4臺主變壓器露天布置在廠房上游側(cè)，GIS布置在上游一次副廠房二層，出線場布置在上游一次副廠房屋頂，空調(diào)機(jī)組和水力機(jī)械輔助系統(tǒng)設(shè)備在下游側(cè)副廠房，中控室及辦公房間布置安裝間上游側(cè)二次副廠房。為了方便機(jī)組安裝、檢修及設(shè)備裝卸，在主廠房內(nèi)安裝有一臺200 t+200 t/40 t雙小車電動雙梁橋式起重機(jī)，跨度19.0m。為了滿足中小部件的頻繁起吊的需要，在橋機(jī)大梁下部裝設(shè)一臺10 t電動葫蘆及吊鉤。為了滿足GIS設(shè)備運輸、安裝及檢修的需要，在GIS室內(nèi)安裝有一臺16 t電動單梁橋式起重機(jī)，跨度10.0 m。為了尾水閘門啟閉，尾水平臺安裝有一臺63 t單向門機(jī)。廠房主入口位于安裝間下游側(cè)的邊墻上，主廠房右側(cè)山墻以及下游副廠房的側(cè)墻上均有疏散通道。

3.5 導(dǎo)流底孔

導(dǎo)流底孔壩段長60 m，共4孔，一壩一孔，單個壩段長15 m，布置于泄洪底孔壩段與廠房壩段之間，2個低位導(dǎo)流底孔布置于泄洪底孔的左側(cè)，進(jìn)口高程113.50 m，2個高位導(dǎo)流底孔布置于發(fā)電引水口的右側(cè)，進(jìn)口高程119.00 m，孔口尺寸為8.00 m×10.00 m。壩基開挖最低高程103.00 m，最大壩高112.5 m，建基面位于微風(fēng)化輝綠巖巖體上。上游壩坡在140.00 m高程以上豎直，以下為坡比1∶0.2，下游壩坡在201.50m高程以上豎直，以下為坡比1∶0.70。

4 結(jié) 語

蘇阿皮蒂水利樞紐工程的樞紐布置及各建筑物的形式，綜合考慮了地形地質(zhì)條件、施工便利性、經(jīng)濟(jì)性、工期和國際工程的現(xiàn)狀，將泄水、發(fā)電引水建筑物集中緊湊布置于主河床，碾壓混凝土擋水壩段連續(xù)分置于兩岸壩肩，各建筑物的形式布置合理，在保證各建筑物功能的前提下，方便了大壩快速化施工，為如期實現(xiàn)合同工期內(nèi)的項目建設(shè)提供了有利條件。截止到2019年8月已累計完成混凝土澆筑量310萬m3，占大壩混凝土總量的89%，提前實現(xiàn)初期下閘蓄水目標(biāo)，工程進(jìn)展順利。