Cana Brava工程的設(shè)計(jì)和施工特性

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簡(jiǎn)介： 450MW的Cana Brava水電工程位于巴西Goias州Tocantins河上，由于它的第一套機(jī)組在36個(gè)月之內(nèi)投入運(yùn)行，從而在設(shè)計(jì)和施工方面創(chuàng)下了記錄。本文將就其主要設(shè)計(jì)和施工特性及有關(guān)的決議做出闡述。
關(guān)鍵字：Cana Brava工程 設(shè)計(jì) 施工 特性

Tocantins河是亞馬遜地區(qū)的主要河流之一，它的流向大致是由南向北，流域面積約767000km2。這條河流從其發(fā)源地巴西尼亞附近的巴西高原至其河口亞馬遜河河口全長約2500ｋｍ，由于它的規(guī)模、地理位置和特性，使其成為巴西主要的水利資源之一。?

　　Tocantins河的水力資源從二十世紀(jì)八十年代中期開始就一直處于開發(fā)中，譬如，象Tucurui（8370MW）水力發(fā)電工程等一系列的大型水利工程項(xiàng)目。其它的已建造或正在建設(shè)中的工程項(xiàng)目包括902MW的Lageado工程項(xiàng)目最近也得到批準(zhǔn)，450MW的PEIXE工程和240ＭＷ的SAO薩爾瓦多工程項(xiàng)目正處于最初的施工階段。在上游河段，擁有大型可調(diào)節(jié)水庫的1200MW的Serra Da Mesa水電站從1998年就開始動(dòng)工，450MW的Cana Brava水電工程項(xiàng)目，與其第一套150MW水輪機(jī)組于當(dāng)年五月份開始動(dòng)工。其它的象Estreito,Maraba和Serra河谷工程，正處于調(diào)研階段，其中任何一個(gè)工程的發(fā)電能力都要超過1000MW。?

　　Cana Braba水利工程位于Goias州Tocantins河上，在巴西尼亞以北約300ｋｍ處。該項(xiàng)目由巴西Sｕｅｚ?Ｔｒａｃｔｅｂｅｌ集團(tuán)的能源部Tｒａｃｔｅｂｅｌ?。牛睿澹颍纾椋幔ㄒ郧笆荊ｅｒａｓｕｌ）擁有和經(jīng)營。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和安裝是由工程設(shè)計(jì)和施工組織（EPC集團(tuán)）來實(shí)施，與業(yè)主之間簽定合同，實(shí)行總價(jià)承包。EPC集團(tuán)由Intertechne組成，主營工程和設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目的資金來源包括IDB（泛美開發(fā)銀行）和Bandes（巴西開發(fā)銀行）。該工程的建設(shè)，從最初的選址，到第一臺(tái)機(jī)組正式運(yùn)行，歷時(shí)３６個(gè)月，比原計(jì)劃提前了４個(gè)月。

１壩址的描述

　　Cana Brava工程所在地Tocantins河下游流域面積57777ｋｍ2，其長期的平均流量是902ｋｍ2/ｓ，PMF設(shè)計(jì)的流量水位圖最高是17800ｋｍ2/ｓ。

　　Cana Brava工程的PMF流量研究考慮到了該工程所在地上游Serra Da Mesa水庫具有非常大的流量調(diào)節(jié)能力。Cａｎａ　Ｂｒａｖａ工程的PMF水位圖考慮了Serra Da Mesa水庫（高水位時(shí)）的洪水過程線以及在Serra Da Mesa與Cana Brava之間無控制流域增加的洪水。Cana Brava河流導(dǎo)流的洪水頻率分析考慮了Serra Da Meesa水電站的運(yùn)行特性，溢洪道的泄洪能力、兩個(gè)水電站一帶增加的洪水頻率。?

　　該地區(qū)的季節(jié)性流量分布很有規(guī)律，汛期是九月份至四月份。為了該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建造進(jìn)行了每月和季節(jié)性的洪水頻率分析。這些研究的一個(gè)重要特征與一種事實(shí)有關(guān)，那就是Cana Brava工程開始的時(shí)候這個(gè)巨大的水庫仍在蓄水，大水泄洪時(shí)的巨大能量，及建造過程中的水文風(fēng)險(xiǎn)的再評(píng)估，這些都將在下文說明。?

　　這個(gè)項(xiàng)目的地址并沒有特殊的地形特性。在這條河較直的河段上有比上游和下游更加突出的壩座，按容量和布局來說比其它構(gòu)造的壩軸線更加經(jīng)濟(jì)。最初的河流研究考慮到有計(jì)劃地進(jìn)行梯級(jí)水力發(fā)電工程的開發(fā)，最終決定電站的大致位置。?

　　當(dāng)?shù)氐牡乩砀艣r很復(fù)雜。

２工程的描述

　　Cana Brava水力發(fā)電的初步研究作為該流域潛能研究的不同階段和項(xiàng)目的可行性研究從七十年代的早期到八十年代的中期間斷性地進(jìn)行著。八十年代后期Furnas（聯(lián)邦政府）又進(jìn)行了更加詳細(xì)的研究，得出了該項(xiàng)目的主要特性，譬如大壩的軸線、水庫的最大容量和能量輸出。按照流域的設(shè)計(jì)水平，F(xiàn)urnas后來又進(jìn)行了更廣泛的調(diào)研。1994年進(jìn)行了項(xiàng)目規(guī)劃的準(zhǔn)備，包括RCC大壩、溢洪道、和水電站，與水庫周圍的土壩相接。?

　　CCB通過他的公司成員，審查并修改了當(dāng)前的基本設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了壩址的調(diào)查，并準(zhǔn)備了一個(gè)替代方案。保持總體發(fā)電量，但減少機(jī)組數(shù)量，由4×112.5MW減少為3×150MW，重新布置工程結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)于快速施工的需要。?

　　該工程設(shè)計(jì)最終選定一套方案。水庫正常運(yùn)行最大水位為333，除了每日的蓄水量以外，流量調(diào)節(jié)無泄降?；炷两ㄖ镯敳扛叱虨?35，填土壩高出1m，高程為336。壩軸線最深點(diǎn)基巖高程為254，壩體最大高度為71m。?

　　采用的最終設(shè)計(jì)與最初設(shè)計(jì)之間主要的不同在于，除了在機(jī)組數(shù)量上減少之外，即是電站廠房和溢洪道更加靠近右岸，使主體混凝土結(jié)構(gòu)的開挖工作能夠盡快啟動(dòng)，電站設(shè)備的安裝盡早開始。在初設(shè)與最終采用方案之間還有另外一個(gè)重要的不同，就是在導(dǎo)流隧洞獨(dú)立結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)上，使第二導(dǎo)流階段的開始將不受溢洪道消力池完工與否的影響。最終采用工程設(shè)計(jì)的主要特性如下：?

1．三座發(fā)電廠房有3個(gè)單獨(dú)的進(jìn)水口，暴露的壓力鋼管和一座裝有3套150MW發(fā)電機(jī)組的電廠。?

2．表孔溢洪道靠近發(fā)電廠，構(gòu)成6個(gè)弧形閘門，每個(gè)15m寬，20m高，在水庫最大洪水位334情況下，設(shè)計(jì)泄洪能力為17800m3/s。?

3．靠近溢洪道有5個(gè)導(dǎo)流隧洞，河水在第二個(gè)施工階段流經(jīng)。其中4個(gè)均為5.5m寬，11m高，其余的1個(gè)用于下游平衡性泄放，為4m寬，6m高。?

4．一座RCC壩橫跨兩岸混凝土結(jié)構(gòu)的余部，左岸一側(cè)，從導(dǎo)流隧洞到河流左岸的一個(gè)位置，右岸一側(cè)從電廠到河流右岸。?

5．兩個(gè)土壩，壩座靠近主體軸線336高程。?

6．兩個(gè)獨(dú)立的土堤，在水庫邊岸的較低點(diǎn)，一個(gè)在主體結(jié)構(gòu)的右側(cè)，具有較小的體積，另外一個(gè)距水庫4km，具有相對(duì)較大的體積。??

3施工期間河水導(dǎo)流和控制

　　在Cana Brava工程中的最終設(shè)計(jì)理念的采用，是建立在設(shè)計(jì)者、施工單位與供需方之間緊密合作基礎(chǔ)之上。這一綜合性方案當(dāng)然具有主體上的優(yōu)勢(shì)，并在該工程中運(yùn)用得非常成功。其間，河流導(dǎo)流和控制是成功的關(guān)鍵。?

　　導(dǎo)流渠道設(shè)計(jì)為兩個(gè)階段。第1階段，自然河渠可以單獨(dú)考慮，在右岸的一個(gè)足以進(jìn)行壩基施工活動(dòng)的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行RCC壩的右側(cè)部分、發(fā)電廠、溢洪道、引水結(jié)構(gòu)以及引水渠和引水隧洞到發(fā)電廠的開挖。

　　由粘土心墻堆石壩構(gòu)成的縱向圍堰在初期干旱季節(jié)（1999年7月－9月期間）建造，圍堰頂部高程295，具有100年一遇洪水流量的防護(hù)能力。?

　　第2階段導(dǎo)流，由一土石壩截流，河水通過導(dǎo)流隧洞，之后建造截流戧堤，直到構(gòu)成上游圍堰。下游圍堰的建造也要在河流左岸的一個(gè)區(qū)域內(nèi)建造RCC壩和填土壩。?

　　最初對(duì)第二階段導(dǎo)流的設(shè)計(jì)假設(shè)渠道的截流是在干旱季節(jié)進(jìn)行，RCC大壩要在雨水季節(jié)到來之前達(dá)到上游圍堰頂部高程。如果洪水大于上游圍堰的防預(yù)水平，在圍堰與RCC大壩壩體之間要小心注水，圍堰與RCC壩體應(yīng)該超出注水高度而不發(fā)生危險(xiǎn)，洪水過后，超出的面積應(yīng)該被清除并恢復(fù)施工。這個(gè)程序已經(jīng)被成功地應(yīng)用于巴西的其它工程。第二階段上游圍堰設(shè)計(jì)的干旱季節(jié)洪水水位為1∶500年。?

4 工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特性?

　　主體結(jié)構(gòu)的典型斷面示于圖1。

　　上述的RCC壩，包括3個(gè)部分。右岸部分為75m長，溢洪道與發(fā)電廠之間的一段為15m，河流左岸為217m長。最后達(dá)到最大高度為71m。?

　　典型橫斷面與垂直上游面重力型混凝土壩相符合，在較高的壩段或不利的壩基幾何形態(tài)區(qū)域，是稍有傾斜的上游段。在較高部位，下游面坡度為1V∶0.67H到1ｖ∶0.7H，在較低部位為1V∶0.89H到1V∶1.0H。RCC的建筑是分層鋪設(shè)，最終壓實(shí)厚度為30cm。混凝土壓實(shí)強(qiáng)度技術(shù)要求在90天齡期為8Mpa。水泥含量約為100kg/m3。

　　大壩上游面建筑物為振動(dòng)壓實(shí)混凝土層，寬度約為75cm，與下游RCC層同時(shí)輔設(shè)，用常規(guī)方法，如已知的“圣誕樹”布局?；炷敛患愉摻?。?

　　每隔15m設(shè)垂直橫向收縮縫。在收縮縫處，上游常規(guī)混凝層加厚至使其適應(yīng)兩層PVC止水層和中間的1個(gè)垂直排水孔。一個(gè)排水廊道縱穿壩體，包括入水口，溢洪道和沖沙結(jié)構(gòu)?；鶐r灌漿和排水帷幕借助該廊道設(shè)置。?

　　溢洪道為常規(guī)設(shè)計(jì)。反弧形溢流結(jié)構(gòu)用常規(guī)混凝土建筑。消能在水躍消力池中完成。池長為65.5m；用水力模型試驗(yàn)并設(shè)計(jì)以符合水流高達(dá)1－100年洪水的水躍，或者說9430m3/s。

5施工特性

　　Cana Brava工程的施工是在一個(gè)嚴(yán)格的控制程序下進(jìn)行，連續(xù)性調(diào)整使之適應(yīng)于各種因素和事件的反應(yīng)。其中一個(gè)因素是政府部門實(shí)行電力供應(yīng)的定量配給，作為巴西政府２００１年中實(shí)行的一個(gè)節(jié)水計(jì)劃。這樣來克服在巴西南部由于非常干旱的年份造成的不利條件。另外一個(gè)因素是Serra da Mesa水庫緩慢的蓄水，也帶來了對(duì)供電具有負(fù)面影響的干旱，對(duì)施工過程具有非常不利的影響。?

　　施工計(jì)劃，包括巖石加工廠，混凝土拌合設(shè)備、加筋車間、臨時(shí)食堂和工程指揮部，設(shè)立在右岸，在那里進(jìn)行第1階段工程的施工。由于進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的主通道是從左岸進(jìn)入，一座約520m的橋梁建筑在工程下游的軸線上。主要施工量如下列：?

　　常規(guī)開挖量（m3） 1,310,000

　　巖石開挖（m3） 912,000

　　壓實(shí)土方（m3） 3，340，000?

　　振動(dòng)常規(guī)混凝土（m3） 300,600?

　　碾壓混凝土（m3） 440,400?

　　最高產(chǎn)量如下列：?

　　壓實(shí)土方 400，000m3/月?

　　振搗常規(guī)混凝土 22，000m3/月?

　　碾壓混凝土 53，000m3/月?

　　施工步驟分為3個(gè)重要階段。?

　　第1個(gè)階段是決定采用滑動(dòng)模板，連續(xù)性澆筑混凝土結(jié)構(gòu)。60％以上的常規(guī)混凝土面，包括那些非平面幾何形狀，都采用滑動(dòng)模板施工。

　　第二個(gè)關(guān)鍵性步驟是使用連續(xù)性泵送混凝土，代替間歇性的料罐澆筑。這使得在施工中減少了起重機(jī)的使用，其主要用于為預(yù)裝鋼筋部件的定位，以及埋置或暴露的永久性設(shè)備的定位。?

　　第三步是施工的靈活性和最終總體施工時(shí)間的縮短，這使得第二階段的導(dǎo)流可以在溢洪道完成之前開始。

6 結(jié)論?

　　Cana Brava水力發(fā)電工程在記錄時(shí)間內(nèi)成功的建造這一事實(shí)，對(duì)于將來發(fā)揮工程的優(yōu)勢(shì)是值得考慮和借鑒的。?

　　根據(jù)承包人的觀點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)與施工期限之間的緊密聯(lián)系可以更好地、連續(xù)性地進(jìn)行施工中的風(fēng)險(xiǎn)管理，包括對(duì)那些由水文事件引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)在內(nèi)。在Cana Brava工程中，將這些變成了效益資源，而不再是問題。?

　　經(jīng)改進(jìn)的施工方法的應(yīng)用，可以使帶來的效益彌補(bǔ)預(yù)估的較高的成本。