Cana Brava工程的设计和施工特性

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简介： 450MW的Cana Brava水电工程位于巴西Goias州Tocantins河上，由于它的第一套机组在36个月之内投入运行，从而在设计和施工方面创下了记录。本文将就其主要设计和施工特性及有关的决议做出阐述。
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Tocantins河是亚马逊地区的主要河流之一，它的流向大致是由南向北，流域面积约767000km2。这条河流从其发源地巴西尼亚附近的巴西高原至其河口亚马逊河河口全长约2500ｋｍ，由于它的规模、地理位置和特性，使其成为巴西主要的水利资源之一。?

　　Tocantins河的水力资源从二十世纪八十年代中期开始就一直处于开发中，譬如，象Tucurui（8370MW）水力发电工程等一系列的大型水利工程项目。其它的已建造或正在建设中的工程项目包括902MW的Lageado工程项目最近也得到批准，450MW的PEIXE工程和240ＭＷ的SAO萨尔瓦多工程项目正处于最初的施工阶段。在上游河段，拥有大型可调节水库的1200MW的Serra Da Mesa水电站从1998年就开始动工，450MW的Cana Brava水电工程项目，与其第一套150MW水轮机组于当年五月份开始动工。其它的象Estreito,Maraba和Serra河谷工程，正处于调研阶段，其中任何一个工程的发电能力都要超过1000MW。?

　　Cana Braba水利工程位于Goias州Tocantins河上，在巴西尼亚以北约300ｋｍ处。该项目由巴西Sｕｅｚ?Ｔｒａｃｔｅｂｅｌ集团的能源部Tｒａｃｔｅｂｅｌ　Ｅｎｅｒｇｉａ（以前是Gｅｒａｓｕｌ）拥有和经营。该项目的设计、施工和安装是由工程设计和施工组织（EPC集团）来实施，与业主之间签定合同，实行总价承包。EPC集团由Intertechne组成，主营工程和设计。该项目的资金来源包括IDB（泛美开发银行）和Bandes（巴西开发银行）。该工程的建设，从最初的选址，到第一台机组正式运行，历时３６个月，比原计划提前了４个月。

１坝址的描述

　　Cana Brava工程所在地Tocantins河下游流域面积57777ｋｍ2，其长期的平均流量是902ｋｍ2/ｓ，PMF设计的流量水位图最高是17800ｋｍ2/ｓ。

　　Cana Brava工程的PMF流量研究考虑到了该工程所在地上游Serra Da Mesa水库具有非常大的流量调节能力。Cａｎａ　Ｂｒａｖａ工程的PMF水位图考虑了Serra Da Mesa水库（高水位时）的洪水过程线以及在Serra Da Mesa与Cana Brava之间无控制流域增加的洪水。Cana Brava河流导流的洪水频率分析考虑了Serra Da Meesa水电站的运行特性，溢洪道的泄洪能力、两个水电站一带增加的洪水频率。?

　　该地区的季节性流量分布很有规律，汛期是九月份至四月份。为了该项目的设计和建造进行了每月和季节性的洪水频率分析。这些研究的一个重要特征与一种事实有关，那就是Cana Brava工程开始的时候这个巨大的水库仍在蓄水，大水泄洪时的巨大能量，及建造过程中的水文风险的再评估，这些都将在下文说明。?

　　这个项目的地址并没有特殊的地形特性。在这条河较直的河段上有比上游和下游更加突出的坝座，按容量和布局来说比其它构造的坝轴线更加经济。最初的河流研究考虑到有计划地进行梯级水力发电工程的开发，最终决定电站的大致位置。?

　　当地的地理概况很复杂。

２工程的描述

　　Cana Brava水力发电的初步研究作为该流域潜能研究的不同阶段和项目的可行性研究从七十年代的早期到八十年代的中期间断性地进行着。八十年代后期Furnas（联邦政府）又进行了更加详细的研究，得出了该项目的主要特性，譬如大坝的轴线、水库的最大容量和能量输出。按照流域的设计水平，Furnas后来又进行了更广泛的调研。1994年进行了项目规划的准备，包括RCC大坝、溢洪道、和水电站，与水库周围的土坝相接。?

　　CCB通过他的公司成员，审查并修改了当前的基本设计，扩展了坝址的调查，并准备了一个替代方案。保持总体发电量，但减少机组数量，由4×112.5MW减少为3×150MW，重新布置工程结构，以适应于快速施工的需要。?

　　该工程设计最终选定一套方案。水库正常运行最大水位为333，除了每日的蓄水量以外，流量调节无泄降。混凝土建筑物顶部高程为335，填土坝高出1m，高程为336。坝轴线最深点基岩高程为254，坝体最大高度为71m。?

　　采用的最终设计与最初设计之间主要的不同在于，除了在机组数量上减少之外，即是电站厂房和溢洪道更加靠近右岸，使主体混凝土结构的开挖工作能够尽快启动，电站设备的安装尽早开始。在初设与最终采用方案之间还有另外一个重要的不同，就是在导流隧洞独立结构的 设计上，使第二导流阶段的开始将不受溢洪道消力池完工与否的影响。最终采用工程设计的主要特性如下：?

1．三座发电厂房有3个单独的进水口，暴露的压力钢管和一座装有3套150MW发电机组的电厂。?

2．表孔溢洪道靠近发电厂，构成6个弧形闸门，每个15m宽，20m高，在水库最大洪水位334情况下，设计泄洪能力为17800m3/s。?

3．靠近溢洪道有5个导流隧洞，河水在第二个施工阶段流经。其中4个均为5.5m宽，11m高，其余的1个用于下游平衡性泄放，为4m宽，6m高。?

4．一座RCC坝横跨两岸混凝土结构的余部，左岸一侧，从导流隧洞到河流左岸的一个位置，右岸一侧从电厂到河流右岸。?

5．两个土坝，坝座靠近主体轴线336高程。?

6．两个独立的土堤，在水库边岸的较低点，一个在主体结构的右侧，具有较小的体积，另外一个距水库4km，具有相对较大的体积。??

3施工期间河水导流和控制

　　在Cana Brava工程中的最终设计理念的采用，是建立在设计者、施工单位与供需方之间紧密合作基础之上。这一综合性方案当然具有主体上的优势，并在该工程中运用得非常成功。其间，河流导流和控制是成功的关键。?

　　导流渠道设计为两个阶段。第1阶段，自然河渠可以单独考虑，在右岸的一个足以进行坝基施工活动的区域内，进行RCC坝的右侧部分、发电厂、溢洪道、引水结构以及引水渠和引水隧洞到发电厂的开挖。

　　由粘土心墙堆石坝构成的纵向围堰在初期干旱季节（1999年7月－9月期间）建造，围堰顶部高程295，具有100年一遇洪水流量的防护能力。?

　　第2阶段导流，由一土石坝截流，河水通过导流隧洞，之后建造截流戗堤，直到构成上游围堰。下游围堰的建造也要在河流左岸的一个区域内建造RCC坝和填土坝。?

　　最初对第二阶段导流的设计假设渠道的截流是在干旱季节进行，RCC大坝要在雨水季节到来之前达到上游围堰顶部高程。如果洪水大于上游围堰的防预水平，在围堰与RCC大坝坝体之间要小心注水，围堰与RCC坝体应该超出注水高度而不发生危险，洪水过后，超出的面积应该被清除并恢复施工。这个程序已经被成功地应用于巴西的其它工程。第二阶段上游围堰设计的干旱季节洪水水位为1∶500年。?

4 工程结构的设计特性?

　　主体结构的典型断面示于图1。

　　上述的RCC坝，包括3个部分。右岸部分为75m长，溢洪道与发电厂之间的一段为15m，河流左岸为217m长。最后达到最大高度为71m。?

　　典型横断面与垂直上游面重力型混凝土坝相符合，在较高的坝段或不利的坝基几何形态区域，是稍有倾斜的上游段。在较高部位，下游面坡度为1V∶0.67H到1ｖ∶0.7H，在较低部位为1V∶0.89H到1V∶1.0H。RCC的建筑是分层铺设，最终压实厚度为30cm。混凝土压实强度技术要求在90天龄期为8Mpa。水泥含量约为100kg/m3。

　　大坝上游面建筑物为振动压实混凝土层，宽度约为75cm，与下游RCC层同时辅设，用常规方法，如已知的“圣诞树”布局。混凝土不加钢筋。?

　　每隔15m设垂直横向收缩缝。在收缩缝处，上游常规混凝层加厚至使其适应两层PVC止水层和中间的1个垂直排水孔。一个排水廊道纵穿坝体，包括入水口，溢洪道和冲沙结构。基岩灌浆和排水帷幕借助该廊道设置。?

　　溢洪道为常规设计。反弧形溢流结构用常规混凝土建筑。消能在水跃消力池中完成。池长为65.5m；用水力模型试验并设计以符合水流高达1－100年洪水的水跃，或者说9430m3/s。

5施工特性

　　Cana Brava工程的施工是在一个严格的控制程序下进行，连续性调整使之适应于各种因素和事件的反应。其中一个因素是政府部门实行电力供应的定量配给，作为巴西政府２００１年中实行的一个节水计划。这样来克服在巴西南部由于非常干旱的年份造成的不利条件。另外一个因素是Serra da Mesa水库缓慢的蓄水，也带来了对供电具有负面影响的干旱，对施工过程具有非常不利的影响。?

　　施工计划，包括岩石加工厂，混凝土拌合设备、加筋车间、临时食堂和工程指挥部，设立在右岸，在那里进行第1阶段工程的施工。由于进入现场的主通道是从左岸进入，一座约520m的桥梁建筑在工程下游的轴线上。主要施工量如下列：?

　　常规开挖量（m3） 1,310,000

　　岩石开挖（m3） 912,000

　　压实土方（m3） 3，340，000?

　　振动常规混凝土（m3） 300,600?

　　碾压混凝土（m3） 440,400?

　　最高产量如下列：?

　　压实土方 400，000m3/月?

　　振捣常规混凝土 22，000m3/月?

　　碾压混凝土 53，000m3/月?

　　施工步骤分为3个重要阶段。?

　　第1个阶段是决定采用滑动模板，连续性浇筑混凝土结构。60％以上的常规混凝土面，包括那些非平面几何形状，都采用滑动模板施工。

　　第二个关键性步骤是使用连续性泵送混凝土，代替间歇性的料罐浇筑。这使得在施工中减少了起重机的使用，其主要用于为预装钢筋部件的定位，以及埋置或暴露的永久性设备的定位。?

　　第三步是施工的灵活性和最终总体施工时间的缩短，这使得第二阶段的导流可以在溢洪道完成之前开始。

6 结论?

　　Cana Brava水力发电工程在记录时间内成功的建造这一事实，对于将来发挥工程的优势是值得考虑和借鉴的。?

　　根据承包人的观点，在工程设计与施工期限之间的紧密联系可以更好地、连续性地进行施工中的风险管理，包括对那些由水文事件引发的风险在内。在Cana Brava工程中，将这些变成了效益资源，而不再是问题。?

　　经改进的施工方法的应用，可以使带来的效益弥补预估的较高的成本。