卡里巴水電站

卡里巴水電站位於非洲尚比亞和辛巴威兩國交界的贊比西(Zambezi)河中游卡里巴峽谷內，距索爾希伯里290km，工程目的主要是發電。

基本介紹

• 中文名：卡里巴水電站
• 站位：尚比亞和辛巴威
• 工程目的：發電
• 水庫總庫容：1840億立方米

結構

樞紐

樞紐包括：混凝土雙曲拱壩、地下電站廠房、溢洪道等。工程分兩期建設，第一期工程包括大壩、河床工程及右岸地下廠房，第二期工程則為左岸地下廠房及相應設施。

混凝土雙曲拱壩

大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高128m，水庫總庫容1840億立方米，是世界上蓄水量最大的水庫之一。電站裝機容量150萬kW，年發電量達80億kW·h。工程分兩期施工，右岸(辛巴威)一期工程裝機60萬kW，年發電量35億kW·h。

拱壩高128m，壩頂長617m，頂寬13m，最大底寬24m，長高比接近5，開創了在寬河谷中修建高拱壩的先例。壩體在正常蓄水位以下27.5m處設定了6個用直升閘門控制的泄洪孔口，孔口尺寸為9.1m×9.46m(寬×高)，總泄流量為9500立方米/秒，每孔流量1580立方米/秒，單寬流量176平方米/秒，水舌拋射距離85m，下游護坦長35m。採用中孔泄洪方式，沖刷坑遠離壩腳，下遊河谷不用採取保護措施。但運用10餘年後，沖刷坑深達60m；上游坑緣離壩腳僅40m，預計還將沖深，不得不在坑內填預應力混凝土。　右岸地下廠房安裝6台水輪發電機組，水輪機為混流式，平均水頭94.5m，引用流量125立方米/秒。交流發電機額定容量10萬kW，轉速167r/min，出線電壓18kV。每2台機組聯接3台單相18/330kV變壓器，變壓器容量為8萬kVA。地下主廠房長143m、寬23m、高40m。變壓器室與主廠房平行布置，長163m、寬17m、高18m。

出水口

機組出水通過6個閘門室在3個調壓室底部合二為一。調壓室高51.5m，直徑19.2m，圓形拱頂。水流經3條尾水隧洞泄出，斷面尺寸為10.5m×7.6m(高×寬)，長300m，在有壓條件下運行，3號隧洞兼作部分施工導流，隧洞出口處設疊梁閘門槽，除此在河中還設導流牆，以免泄洪洪水沖刷集中在尾水隧洞出口處。除主廠房和變壓器室之外，地下工程還有13條深度不同的豎井和29條廊道。

進水口

6個進水口分設在3個高程，矩形斷面，尺寸為6.1m×4.9m，在進口上游處安裝弧形閘門，緊靠每扇門的上游門槽安放疊梁閘門。1、2、5、6號機組進水口在最低水位以下15m(460m高程)，3、4號機組進水口在445m高程，低高程處(418m)的2個臨時進水口在水庫蓄水1年後開始使用，以便在1、2號機組安裝完畢以後投入運行，當永久進水口建成後，就封堵臨時進水口。6個進水口分別供給6條垂直壓力管道，管道上段直徑6.1m，不襯砌；在418m高程以下直徑減至5.2m，鋼板襯砌最大厚度32mm。

地理

贊比西河穿過廣闊的平原，然後進入卡里巴峽谷。峽谷全長26km。兩岸高出水面183～488m，河岸邊坡陡度在30°～40°，河谷較寬，但仍可修建拱壩。深水河槽靠近右岸，左岸有一處92m寬的岩石階地，枯水期露出水面。

壩址區系由前寒武紀岩石組成。整個河床、左岸及右岸下部三分之二高度以下均為變質黑雲母片麻岩，表面有灰色與白色相間條紋，葉理呈現折曲。河床中岩石露頭質地堅硬，有細裂隙，兩岸岩石侵蝕深度達4.5～6m，易受風化。右岸上部為堅硬的褐色石英岩，裂隙發育，夾有風化的黑雲母片麻岩侵入體，偉晶花崗岩呈脈狀出現。片麻岩中幾乎全是黑雲母透鏡體，由於分布不廣，對地下工程不致有重大影響。

壩址區雖然無大斷層存在，但有一處破碎帶與峽谷近似平行，對於電站廠房的西北角、閘門室和調壓室有一定影響。工程位於穩定地區，不屬於地震區。　壩址以上控制流域面積66.3萬平方公里，多年平均徑流量約460億立方米，多年平均流量1444立方米/秒，最小流量227立方米/秒，最大流量16142立方米/秒(1958年)。水庫最低水位476m，正常蓄水位485m，非常洪水位490m。水庫長274km，平均寬19km，最大水深157m，面積達5180平方公里，調節庫容達690億立方米。

施工流程

地下建築物施工

對於第一期工程：主機間和變壓器室都是拱頂首先開挖，再向下開挖主體部分；大部分豎井都是先挖導洞，然後自上而下進行擴挖。調壓室拱頂在主體工程開挖前分段開挖。豎井和邊牆混凝土施工採用滑動模板，效果良好。總開挖量為：壩基及引水渠438萬立方米；導流隧洞、地下廠房52萬立方米；進水口閘門操作平台及開關站35.3萬立方米。

基礎處理

基礎處理主要是進行固結與帷幕灌漿，及設排水設施。右岸壩肩處理時，通過豎井或平洞直接挖除破碎岩石，然後回填混凝土，對岸坡進行了加固。

第二期地下廠房位於左岸，裝機90萬kW。水輪機為豎軸混流式，最大淨水頭104m，平均水頭92m，額定流量186.79立方米/秒，轉輪直徑5.05m。發電機轉速136.4r/min，最大連續出力15萬kW，功率因數0.9，出線電壓18kV，轉子直徑9.428m。每台機組聯接1台變壓器，變壓器容量為16.7萬kVA。

主機室長130m、寬124m、高48m，變壓器室布置在地面階地上。4個進水口斷面尺寸為12m×15m(寬×高)，設有直升閘門，分別供給4條長250m、直徑6.75m的壓力鋼管。機組出水通過4條長131m、9.0m等直徑的尾水隧洞泄出。

贊比西河每年前6個月為汛期，後6個月為枯水季，該河的枯水季、枯水流量比較有規律，河谷底部很不對稱，據此選用分期圍堰的導流方式。其施工導流程式如下：①1956年枯水季，在左岸階地上修建左岸圍堰，河水沿右岸深槽過流。②左岸圍堰只有遇到特大洪水時才允許過流。1957年初的洪水季內，在左岸圍堰內完成5個壩段的基礎工程，並在這幾個壩段內建4個底孔以供1957年枯水季導流。在左岸圍堰施工的同時，進行底孔上下游明渠的開挖。此外，在右岸較低高程上修建了一個斷面積為102㎡(12.2m高×9.15m寬)的導流隧洞，為截流創造條件。③在1957年枯水季內完成下述工作：在主河道中修建下游堆石圍堰；爆破拆除左岸圍堰和在靜水中修建第二期拱圍堰。④1958年初汛期，在二期圓形圍堰內將主河道壩體的混凝土澆築到兩岸已修建壩段的高程。⑤1958年末枯水季，封堵導流底孔和導流隧洞。在1958年11月，大壩尚未達到設計高程的情況下，水庫開始蓄水。

導流

在工程分期施工導流中，左岸採用了拱圍堰，河床採用圓形圍堰擋水，這使壩體得以快速施工，且很經濟。　左岸拱圍堰高18m，半徑180m，頂長288m，長高比高達16，厚僅1.8m。沿圍堰內外弧面均配有少量鋼筋，還加密了拱冠梁內弧面底下的垂直鋼筋，並使鋼筋和基岩相連結，以便保證圍堰的穩定性。中央拱段在堰頂設定1排可單向傾倒的小拱門，並將堰體加厚到2.4m。當圍堰內水位高，出現逆向壓力後，小拱門即傾倒，向外泄流。

為使壩體底孔過流，在左岸拱圍堰上下游段各炸開一個寬度約45m和76m的缺口，1957年7月6日順利完成圍堰拆除。

1957年枯水季，用15萬t碎石形成的下游堆石圍堰??高45m、半徑115m的第二期圓形拱圍堰，下部堰體為2排鋼板樁，在鋼板樁之間填了壓漿混凝土，上部堰體則為混凝土結構。這種拱圍堰是在電站施工中首次採用並獲得了成功。

混凝土施工

大壩澆築混凝土107萬立方米，一期地下廠房澆築混凝土13.5萬立方米。大壩混凝土澆築層厚為2.25m，每層平均體積約750立方米。大部分壩體澆築塊的平均速度為0.27m/d，最快速度0.32m/d；對於加快澆築的區域，平均速度為0.52m/d，最快速度為0.70m/d。為使大壩混凝土加速散熱，以便提前進行接縫灌漿，加速封拱，提前蓄水，對70萬立方米混凝土進行了人工冷卻。冷卻方法主要是在每一澆築層布置蛇形鋼管，使冷卻水在封閉迴路中循環。管外徑27mm，厚0.91mm，水平面上各管間距為1.7m，垂直方向上為2.25m。其次是預冷骨料，使混凝土入倉溫度達到10℃。結果，位於上部一半高度以上的拱，在封縫時冷卻到19℃，而對基礎部分的拱，則慢速澆築，所以很容易達到溫控要求。

建築歷史

大壩於1955年開工，1959年6月大壩主體工程竣工；1955年枯水季內，清除左岸圍堰基礎部位覆蓋層，進行拱圍堰的基礎開挖，開挖深度為4.5～6m，開挖部分用壓漿混凝土回填度汛，共完成石方開挖3440立方米，壓漿混凝土3050立方米。1956年汛期完成少量的開挖和混凝土澆築工作。1956年下半年完成圍堰基礎其餘部分的石方開挖工作(2300立方米)後，在9月1日～11月15日，完成了7640立方米的混凝土澆築。混凝土澆築塊的長度為14.3m，澆築層高3.6m，澆築採用帶有垂直金屬鑲頭的木模板，澆築後採用大型風動振搗器搗實。混凝土澆築完畢2個月後僅用4d時間完成了拱體接縫灌漿工作。圍堰基礎內設單排帷幕，灌漿孔共118個，孔深3m，平均吸漿率為110kg/m。

1957年1月21日左岸圍堰施工完畢。贊比西河1957年3月的洪峰歷時很長，圍堰淹沒達5星期之久，堰頂最大溢流水深約3m，洪峰流量達到8500立方米/秒。當洪水退卻時，堰頂預留小拱門自行翻倒過流，所以圍堰沒受任何損害，基坑於1957年4月18日再度排乾。1959年12月28日第一台機組開始發電，1960年5月17日正式運行，1963年一期工程竣工；左岸(尚比亞)二期工程目前裝機90萬kW，1970年12月開工，1976年投入試運行。另外還準備提高現有設備的功率並安裝新的機組，電站總裝機容量可能增至195.0萬kW。

對於地下建築物，除岩體灌漿外，還設有防滲混凝土襯砌，以及利用自由岩石排水。地下工程石英岩區的帷幕灌漿，除壩基外，共歷時32個月，鑽孔7003個，進尺40132m，共灌注水泥7612t，砂子1963t。鑽孔最高月進尺3775m，最高月灌漿量為水泥1370t和砂子1467t。灌漿孔兩邊間距在一般情況下均為4.5m。

發電儀式

2013年12月4日，尚比亞國電公司舉行尚比亞卡里巴北岸水電站擴機項目首台機組正式投產的發電儀式，尚比亞總統麥可.薩塔及夫人卡塞芭出席發電儀式，並親自啟動該發電機組。中國駐尚比亞大使周欲曉、參贊柴之京等出席儀式。
尚比亞總統薩塔在儀式上讚揚了中國電建所承建的卡里巴項目和希亞豐加高中擴建項目。表示卡里巴水電站正式發電之後，可以大大緩解尚比亞國內經濟發展所面臨的電力緊張的局面，增加就業，大大提高尚比亞人民的生活水平；希亞豐加高中校舍擴建後，能讓更多的適齡兒童進入校園，在環境優美的學校里接受良好的教育。投產發電儀式上同時進行了希亞豐加高中校舍擴建項目的移交儀式。
周欲曉大使發表了熱情洋溢的演講，將卡里巴項目的建成投產比喻為中贊兩國以及中國電建和贊國電公司辛苦努力的結晶，說明中贊兩國政府和人民的友誼源遠流長，以中國電建為代表的中資公司顯示出強大的建設能力和履約能力，並向尚比亞政府和人民以及中國電建和尚比亞國家電力公司表示熱烈的祝賀。周欲曉大使希望中國電建繼續發揚在卡里巴項目建設過程中積極拼搏的精神，將這種精神延續到中國電建在贊的其他項目，以贏得尚比亞市場的可持續發展。