卡博拉巴薩水電站

卡博拉巴薩水電站

Cabora Bassa HydropowerStation

概述

卡博拉巴薩水電站位於非洲東南部莫三比克境內贊比西河的中游，在太特市西北約150km處，離河流入海口500餘km。除發電外，電站還承擔了上下游通航、防洪、灌溉和水庫養殖等任務。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高163.5m。水庫總庫容630億m3。電站裝機容量415萬kW，年發電量205億kW·h。工程分兩期建設，一期工程於1969年10月開工，1974年12月截流，1975年4月開始發電，1979年1月一期工程竣工；二期工程於1984年開工，1987～1988年投產發電。 壩址位於長46km、呈"V"形的卡博拉巴薩峽谷的最窄處，兩岸接近垂直。河流深槽靠近右岸，最深點高程是170m。壩頂高程331m處河谷寬約250m。 壩址基岩為良好的粗晶紫蘇花崗岩系似花崗岩狀片麻岩，略有片理。少數地點有煌斑岩薄岩脈和輝長岩脈。基岩緻密，岩性良好，除個別部位外，一般透水性弱，彈性模量較高。 壩址以上控制流域面積90萬km2，多年平均徑流量868億m3(上游450km處卡里巴水庫下泄徑流量平均每年418億m3，卡里巴水庫以下區間徑流量平均每年450億m3)，多年平均流量是2750m3/s。 水庫正常蓄水位為326m，回水長250km，水庫面積2700km2。最低運行水位295m，有效庫容520億m3，可進行年調節。枯水期流量在1000～3000m3/s時，壩址水位為200～207m；洪水期流量一般為8000～10000m3/s，流量達10000m3/s時，相應水位為219.5m。泄洪建築物的設計流量為13000m3/s。

樞紐布置

樞紐主體建築物包括1座雙曲拱壩和左、右岸各1座地下廠房。工程分兩期施工，一期工程主要是修建拱壩和右岸地下廠房，以及相應的輸變電工程；二期工程為左岸地下廠房和相應的輸電及生活服務設施等。 拱壩壩頂高程331m，壩頂弧長303m，頂厚4m，底厚23m。在壩頂以下100m處設8個矩形斷面的深泄水孔，進口軸線高程238.5m，底板高程由231m向上傾斜至243m，末端設挑流坎，挑射角32.5°。底孔出口高7.8m、寬6.0m，由弧形閘門控制，閘門尺寸7.9m×6.1m(高×寬)，閘門承受86m水頭。孔口分2組，對稱布置，每組自相平行，2組軸線在平面上有8°交角，以保證出流趨向河軸，避免沖刷兩岸。各孔閘門附近用44.5mm不鏽鋼襯護。弧形門面板為20mm厚的鋼板，表面用5mm厚不鏽鋼襯護。門樞也是不鏽鋼的。為調節流量，保證下游通航，中間6個門可以部分自由開啟應用。上游水位326m時，底孔總泄流量達13000m3/s。在壩頂中部還布置有1個表面溢流孔，設寬12m、高5.1m的舌瓣閘門。在大壩上游水位超過329m時啟用，可泄放流量420m3/s，同時用來排放漂浮物。壩體內設有2條廊道，用於灌漿和排水。 第一期地下廠房在右岸，電站由5個進水口，分別經直徑11.3m的壓力鋼管引水至廠房。進水口布置在正常高水位以下50m的基岩陡坡上，進水口段長152m，設固定攔污柵。壓力鋼管自進口以下軸線傾角為45°，後接水平段進入廠房。廠房軸線基本為南北向，地質與壩址基本相同。廠房長220m，平均寬29m，由尾水管底板起算高57m。廠房頂部為拱形，混凝土襯砌。安裝5台混流式水輪發電機組，額定水頭103.5m，額定出力41.5萬kW，最大水頭127m，最大出力48.4萬kW。單機引用流量452m3/s。轉輪直徑6.56m，用不鏽鋼製成。發電機額定容量48萬kVA，轉速107.1r/min，功率因數0.85，出線電壓16kV，頻率50Hz，轉子直徑13m。每台機組配3台單相16/220kV變壓器。變壓器室與廠房平行，在廠房上游40m(軸線間距)處，高壓出線經直徑7m的電纜井通至地面。 廠房下游有2座調壓室，室底高程170.34m，左、右調壓室分別與1～3號和4～5號機組的尾水管連線，高71.7m，寬21m，分別長72、76m。2條尾水洞，分別長240m和320m，斷面積均為300m2，過流能力為2200m3/s。 第二期地下廠房布置在左岸，安裝5台單機容量相同的機組(其中1台備用)。

工程施工

施工期間左、右岸各修1條導流隧洞，均為城門形斷面，底寬16m，邊牆高11m，底板至拱頂高16m，總泄流量為4500m3/s。右岸隧洞長440m，進口高程193.0m，出口高程188.5m；進口設2扇鋼閘門，作為日後斷流蓄水之用；進口段20m用鋼筋混凝土襯砌，出口段為混凝土襯砌。右岸隧洞於1971年先建成，宣洩枯水流量，實現河床截流。左導流洞長540m，進口高程207.0m，出口高程198.5m，進口處不設控制閘門，用於宣洩河床平均流量。隧洞開挖使用4臂盾構，每日2班，每班工作9h，台班進尺5.4m。 截流是在枯水季節，流量小於2000m3/s時進行的。水深達30m，河寬約100m，用卡車同時從右岸向左岸填築3條戧堤來完成截流。截流總水頭為7m，共投石30萬m3，投石強度約為300m3/h。 上、下游圍堰是在截流戧堤的基礎上擴建而成的，考慮到贊比西河洪水量大，採取了圍堰過水方案，設計過流量10000m3/s。圍堰高約40m，上游圍堰頂長140m，部分由重3～4t的大石襯護。下游圍堰頂寬約100m，部分用7m×7m×2.6m的混凝土板襯護，板間用鋼筋連線。上、下游圍堰均在堰內設鋼板樁截水牆， 下接水泥砂漿防滲帷幕。設計溢流單寬流量為100m3/s。實際最大過流量7000m3/s，單寬流量74m3/s，堰上最大流速13m/s。1971～1972年過水後，上游圍堰設自潰式堤，高4.5m。 圍堰填築主要採用大塊石，最大塊石重400kg，總填築方量為30萬m3，施工設備為32t自卸卡車和5m3推土機，填築速度為300m3/h，即每月14萬m3。鋼板樁截水牆的施工在截流之後進行。板樁最大高度35m，重約3t，施工設備為1台起吊高度55m的300t級起重機，使用3.6t汽動打樁錘打樁，每台班工作9h，打樁5塊，即每天10塊。 大壩基礎開挖分3段進行，先右岸、左岸而後河床。左右岸較高部位不受河水漲落的影響，在導流結束之前就開始開挖，採用纜機施工。基坑從1971年8月到1972年11月共開挖石方50萬m3，開挖後除對基礎進行固結和排水處理外，還對煌斑岩脈造成的不連續帶進行回填、灌漿、錨固等專門處理。 壩體分22壩塊，各寬15m，混凝土澆築從兩岸壩基較高部位開始，邊開挖邊澆築，為保證新澆築混凝土不受開挖爆破的影響，澆築塊邊緣與岩石開挖面之間保持15m以上的距離。在澆築過程中大致保持兩岸澆築對稱進行。澆築層厚度，壩基處為1.25m，以上均為2.5m。澆築溫度限制在35℃以下；超過時必須採取冷卻措施。在壩體內埋設有蛇形冷卻管。2層澆築時間要求至少錯開72h，在澆築混凝土時，振搗厚度不超過50cm。壩體內部混凝土抗壓強度為31.5MPa，壩的上下游表層為25MPa。 混凝土施工的主要機械設備為：①　碎石機：額定效率為400t/h，生產粒徑為0～155mm的碎石；②　拌和樓：生產能力為180m3/h和60m3/h的拌和樓各1座，配有5座容量各150t的水泥筒倉；③　混凝土澆築：用吊罐從拌和樓運至纜機平台，纜車2台，跨度1000m，載重18t。 一期工程的主要工程量有：地面開挖330萬m3，地下開挖120萬m3，混凝土120萬m3，其中大壩本身60萬m3，地下工程30萬m3，共用鋼2.5萬t。高峰人數7000人。 卡博拉巴薩拱壩的泄洪方式是第一次大規模地在拱壩壩體內採用深孔泄洪，這種方式具有下述優點：可使壩基附近河床免受嚴重沖刷；拋射距離遠，閘門尺寸較小；可提前安裝水工金屬結構，縮短大壩施工時間；水庫蓄水時間有一定伸縮性等。