陈攀 霍鹤飞 孙永波
（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）
【摘要】凯乐塔水电站是几内亚共和国最大最重要的水电站，工程枢纽由挡水坝、溢流坝、引水建筑物、泄流底孔及厂房建筑物等组成，枢纽布置充分利用孔库雷河在凯乐塔瀑布处河道突然变宽，主流分股分散的特点，合理安排泄洪、发电等建筑物的位置并综合考虑施工导流工程布置的方便性和实用性，坝轴线呈S曲线布置，总长1145.5m。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 凯乐塔水电站；枢纽布置；碾压混凝土；压力钢管
0 概述
凯乐塔水电站位于几内亚共和国境内孔库雷河中游，是以发电为主的三等中型水电工程，水库校核洪水位113.30m，正常蓄水位110.00m，相应库容2300万m3，电站装机容量234.6MW，多年平均发电量9.65亿kW·h。目前几内亚共和国内的发电总装机为253MW，其中水电129MW，最大的电站是格拉菲里电站，装机75MW。凯乐塔水电站建成后将主要承担其工业用电，成为几内亚国内的骨干电源，极大的促进几内亚的经济发展。
1 自然条件
几内亚只有雨季和旱季，5月至10月为雨季，降雨量约占全年的90%，11月至次年4月为旱季，干旱少雨。孔库雷河流域平均降雨量为2000mm，坝址多年平均径流量为109.6亿m3，本工程防洪标准为百年一遇设计，千年一遇校核，百年一遇设计洪水为3670m3/s，千年一遇校核洪水为4430m3/s。流域植被好，泥沙含量小，河流含沙量为10g/m3，坝址以上多年平均悬移质输沙量为13.9万t。
孔库雷河从坝前近东西向折而向北西流过坝区，坝址区河谷蜿蜒曲折，河谷呈“U”形，河床宽度由约200m至坝址处扩展至约750m，河道内有数个“河心岛”将孔库雷河分割，主流分散形成5处河湾（叉河），各河湾自坝轴线向下约350m形成庞大瀑布群，从左往右分别为SALE，SANFOKUI，FRANBANGA，SONGO，LEKTE，其中SONGO和LEKTE两处河湾水量较大，瀑布落差约25～40m。坝址区两岸山体雄厚，谷坡宽缓，基岩裸露，自然坡度一般7°～10°，相对高差一般低于200m，坝区基岩主要为泥盆纪的辉绿岩和奥陶系石英砂岩，两岸山坡分布有较多的第四系红土，河道中分布有少量第四系坡崩积-冲积的碎块石。除少量风化卸荷外未见大的崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象。坝址区未见断层出露，节理裂隙主要发育有3组，节理一般延伸长，切层深，连通性好。坝址区地震基本烈度为Ⅶ度。
2 枢纽布置
枢纽工程的主要建筑物包括挡水坝、溢流坝、引水建筑物、泄流底孔及厂房建筑物等。枢纽布置充分利用孔库雷河在凯乐塔瀑布处河道突然变宽，主流分股分散的特点，合理安排泄洪、发电等建筑物的位置，避免相互干扰，优先考虑泄洪建筑物的布置，使其下泄水流不致冲刷坝基和其他建筑物的基础，并综合考虑施工导流工程布置的方便性和实用性，坝轴线呈S曲线布置，总长1145.5m。
2.1 挡水坝和溢流坝
拦河坝为碾压混凝土重力坝，挡水坝段总长706m，坝顶高程114m，最大坝高22m，上游面竖直，下游面在107.33m高程以上竖直，在107.33m高程以下坡度为1:0.75，坝顶宽5m。溢流坝段布置在右岸，位于孔库雷河主河床的位置，整个溢流坝段呈弧形布置，其圆弧半径830m，溢流坝段长360m，溢流堰采用无闸门控制的开敞式自由溢流，堰顶高程110m，堰型为克里格尔经典剖面，下游坡度为1:0.85，采用台阶消能的布置形式，末端采用底流消能。
2.2 引水系统布置
引水坝段保证电站的取水，布置在坝轴线的凹位，位于SANFOKHI瀑布的位置，引水坝段总长66m，引水系统由坝式进水口和压力钢管组成，共3台机组，一机一管，单机设计引用流量180m3/s，压力钢管内径6.3m。本工程采用坝后背管的布置方式，钢管自上弯段穿出坝体以后，敷设在开挖的基岩面上，钢衬和外包的钢筋混凝土联合受力，可有效降低钢衬厚度，有利于钢材钢质和焊接质量。但是由于背管受力和施工较复杂，钢衬和钢筋混凝土联合受力条件难以完全符合理想情况，特别是在钢筋混凝土施工存在缺陷的情况下，因此背管按明管设计，外包钢筋混凝土能提高压力管道的超载能力。
经过专家学者论证和大量的压力管道模型试验证实，在设计荷载作用下，背管混凝土一般都要开裂，且裂缝必然是贯通缝，但外包混凝土开裂后压力管道仍能正常工作，因此设计时不必为使钢管外包混凝土不开裂而过多增加外包混凝土厚度。运行时出现裂缝，采取措施防止裂缝处钢筋锈蚀。
2.3 泄流底孔的布置
泄流底孔坝段布置在FRAN BANGA瀑布的上游，与进水口所在的SANFOKHI瀑布相邻，两个底孔为有压泄水孔，出口用弧形闸门控制，其后接大约300m长的泄水明渠，将水流导至FRAN BANGA瀑布。根据水力模型试验的结果来看，泄流底孔前可以拉砂形成冲砂漏斗，但由于底孔距离进水口较远，冲砂漏斗边界并没有延伸到电站进口的泥沙淤积区域。因此，底孔并不能起到冲砂的作用，但可以放空水库，同时也是二期的导流通道；孔库雷河流域植被好，泥沙含量小，该河流含沙量10g/m3；进水口设置拦沙坎，流道底板（EL90.85m）比引渠底（EL87.00m）高3.85m；基于这些方面的考虑，泥沙问题显得不是特别突出。由于底孔可以迅速放空水库，泥沙淤积也可以得到很好的清理。
2.4 厂房及尾水渠
电站厂房布置在引水坝段下游约80m的河道上，最大开挖深度57m，电站尾水通过350m的尾水渠排入主河道。电站为坝后式地面厂房，主厂房总长106.1m，宽度47.8m，总高53.8m，水轮机安装高程52.5m，机组间距22m，一机一缝。主厂房由主机间和安装间组成，安装间布置在主机间左侧，进厂路在安装间下游，副厂房布置在主厂房下游侧，主变压器、GIS楼布置在主厂房上游侧。尾水平台高程为72m，宽9.8m，尾水底坎高程41.5m，渠底以1:2.3的反坡与原河道相接，尾水边坡用钢筋混凝土喷锚支护。下游河道距离尾水约800m处由于河床陡然升高，容易在尾水形成壅水区域，因此还需要对下游凸出河道断面进行修整疏浚。
3 针对引水系统的技术改进措施
3.1 压力钢管过缝措施
一般坝后式水电站厂坝间多设温度缝或沉降缝，以使厂房和坝体结构相对独立，受力明确，并在压力钢管过缝处设伸缩节，以适应缝两侧厂坝结构的相对变位，改善厂坝混凝土结构及压力钢管的受力状态。但是，这样不仅使工程投资和运行费用增加，并且伸缩节的制造加工、施工安装以及运行期的止水等技术问题也十分关键。本工程采用的措施是在厂坝分缝处设一段垫层管过缝取代伸缩节，以适应分缝两侧相对变位。具体做法是在厂坝分缝处的管节外壁包裹360°膨胀聚苯乙烯弹性垫层，厚度为30mm，并在厂坝分缝处预留管节环缝，待水库蓄水后，厂坝间不均匀沉降基本形成，再焊接此缝，以减小不均匀沉降对钢管产生的不利影响。
3.2 进水口消涡梁
按《水利水电工程进水口设计规范》（SL 285-2003）计算，为防止产生贯通式漏斗漩涡的最小淹没深度为8.5m。进水口引水道顶高程98.00m，最低运行水位109.00m，最小淹没深度11.0m，大于理论计算值8.5m。理论上不会产生漩涡。但是根据模型试验的结论来看，电站进口右侧漩涡频繁，漩涡最大直径约有1.8m。与理论计算有所不符。
经过分析，由于枢纽布置的特殊性及实际地形的约束，在电站进水口前，形成一个环状区域，当上游来流受边界条件的影响，发生了纵向或横向的变化，水流的流向和能量都发生变化。下部主流水流行进至电站进水口时，由于断面收缩，流速增大，动能增加，而上部来流，由于受胸墙的影响，行近流速趋于零，动能减小，势能增加，形成一壅水区，壅水区的水体受到正向、反向、横向流速的作用发生旋转，并且在重力的作用下形成漏斗形漩涡。设置消涡梁后，在各种运行水位下，电站进水口基本不发生漩涡，消涡效果很好。
4 结语
凯乐塔水电站枢纽布置充分利用孔库雷河在凯乐塔瀑布处河道突然变宽，主流分股分散的特点，合理安排泄洪、发电等建筑物的位置，避免相互干扰，并综合考虑施工导流工程布置的方便性和实用性，坝轴线呈S曲线布置。引水压力管道采用坝后背管的布置形式，由于枢纽布置的特殊性及实际地形的约束而在进水口前沿容易形成的漩涡也采用了消涡梁的方式避免了其不利影响。目前工程已经接近尾声，从即将竣工的大坝风貌上来看，电站的枢纽布置是科学合理的，为今后兴建类似的工程提供经验并开阔和丰富设计人员的思路。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［1］蒋锁红，夏忠，谢小平.水电站坝后背管工程技术[M].北京：科学出版社，2007.
［2］张剑. 红河南沙水电站引水发电压力钢管（坝后背管）设计[J]. 人民珠江，2010，增刊1.
［3］傅金筑，张淑婵.李家峡水电站钢管取消伸缩节论证[J].水力发电学报,1997,1.
［4］陈兴亮，杨磊，罗畅，李希. 凯乐塔电站进水口消涡措施试验研究[J]. 中国农村水利水电，2012，10.
［责任编辑：曹明明］