老撾南屯2電站調(diào)節(jié)壩創(chuàng)新型溢洪道設(shè)計(jì)

[老撾] D.帕齊尼 等

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老撾南屯2電站調(diào)節(jié)壩創(chuàng)新型溢洪道設(shè)計(jì)

[老撾] D.帕齊尼 等

2011年洪水事件之后，有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)南屯河流域的水文資料進(jìn)行了復(fù)核更新，修正了南屯2水電站的洪水峰值，以避免在特大洪水和極端條件下，壩體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，危及下游安全并造成損失。提出了新建一條溢洪道，且通過比選決定采用自由流溢洪道方案。簡要介紹了南屯2水電站的概況及相關(guān)背景，對(duì)新建溢洪道的方案比選、設(shè)計(jì)特點(diǎn)和植被選擇作了闡述，并明確了在溢洪道建設(shè)期間應(yīng)注意的相關(guān)問題。

溢洪道；防洪；水電站；老撾

南屯2水電站調(diào)節(jié)壩位于南屯(Nam Khatang)河上，用來調(diào)節(jié)從廠房尾水出口到下游河道的水流流量，從而保持南屯河的自然流量。2011年洪水事件之后，有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)南屯河流域的水文資料開展了復(fù)核更新等研究，將南屯2水電站的10 000 a一遇洪水峰值從1 500 m3/s 修正為2 060 m3/s，而這個(gè)流量超過了現(xiàn)有溢洪道閘門的最大允許泄洪流量，因此提出新建一條溢洪道的方案。

綜合考慮項(xiàng)目預(yù)算和施工干擾(施工期間電站正常運(yùn)行)等因素，一種創(chuàng)新型溢洪道(置于土石壩段壩頂)設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。該溢洪道的上游部分(15%)由拋石作防護(hù)，下游部分(85%)采用百慕大草和巖蘭草等防腐蝕植被進(jìn)行防護(hù)。

該溢洪道工程投資 750萬美元，于2014年9月開工，2015年7月完工，經(jīng)歷了整個(gè)旱季。遵照南屯電力公司(NTPC)政策標(biāo)準(zhǔn)，解決了一系列環(huán)保和社會(huì)民生問題。

1 工程概況

1.1 南屯2水電站

南屯2水電站位于老撾境內(nèi)的甘蒙(Kammouane)省和博利坎賽(Bolikhamsay)省交界處，湄公河與安南(Annamite)山脈之間。該電站在納卡(Nakai)高原將南屯河谷改道至邦非(Xe Ban Fai)平原，利用高原與平原之間的350 m水頭落差進(jìn)行發(fā)電。

電站主要建筑物包括一座高39 m的碾壓混凝土壩、一條引水隧洞和一條通風(fēng)井。水庫庫容為3 500×106m3。電站裝機(jī)容量為1 070 MW，包括4臺(tái)混流式水輪機(jī)組和2臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組。尾水通過尾水渠排入調(diào)節(jié)池(位于南屯河床內(nèi))。

調(diào)節(jié)池由調(diào)節(jié)壩控制，水流通過調(diào)節(jié)壩排放至南屯河(為保持自然河水流量)或一條長27 km的下游渠道，水流通過渠道(最大允許流量315 m3/s)匯入邦非河，最終匯入湄公河。修建新溢洪道前的調(diào)節(jié)池如圖1所示。

圖1 修建新溢洪道前的調(diào)節(jié)池

南屯2電站的配套設(shè)施還包括一條長140 km、由湄公河輸往泰國的500 kV雙回路輸電線路。

1.2 調(diào)節(jié)壩

水電站調(diào)節(jié)池正常運(yùn)行庫容為8×106m3(高程178 m)，最高水位庫容為10.7×106m3(高程179.5 m)。壩體長度260 m，其中右側(cè)130 m為混凝土壩段，左側(cè)130 m為土石壩段。位于土石壩下游的一個(gè)巨大平臺(tái)用來處置建筑廢料。

調(diào)節(jié)壩的混凝土壩段安裝了8扇閘門。其中5扇溢洪道閘門將集水區(qū)的自然來流排放至南屯河。新建溢洪道之前，這5扇溢洪道閘門的最大排放流量為1 345 m3/s。另外3扇溢洪道閘門將廠房尾水排放至下游河道。洪水期間，發(fā)電機(jī)將停止工作，而采用這3扇閘門來排放高達(dá)330 m3/s的自然來流，以削弱南屯平原的自然洪水。

調(diào)節(jié)壩8扇閘門同時(shí)開啟時(shí)，最大排放量為1 660 m3/s，按照最初的水文資料，10 000 a一遇的洪峰流量為1 500 m3/s，現(xiàn)有調(diào)節(jié)壩可足夠應(yīng)對(duì)10 000 a一遇洪水。

1.3 2011年洪水事件

2011年8月，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴洛坦襲擊了南屯河流域， 在現(xiàn)有調(diào)節(jié)壩附近形成洪水，洪峰泄流量超過了1 300 m3/s。雖然調(diào)節(jié)壩經(jīng)受住了此次洪水考驗(yàn)，但如此高的洪峰(相當(dāng)于5 000 a一遇)還是引起了有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)于兩個(gè)數(shù)值間相關(guān)性的關(guān)注，即此次觀測到的洪水峰值和2004年南屯2水電站設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算出的特大洪水值。2011年洪水之后南屯河的水文數(shù)據(jù)修正結(jié)果，如表1所示。

表1 2011年洪水之后南屯河的水文數(shù)據(jù)修正結(jié)果m3/s

南屯2水電公司決定開展兩項(xiàng)針對(duì)調(diào)節(jié)壩集水區(qū)的獨(dú)立研究。采用了更多2004～2012年間的降雨和徑流量數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)集水區(qū)面積進(jìn)行了重新評(píng)估，將其從最初的90 km2調(diào)整為120 km2。

就洪峰值和水位曲線圖(洪水歷時(shí)10 h，流量40×106m3)而言，兩項(xiàng)研究結(jié)果較吻合。采用更新后的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示在某些特大洪水和極端條件下，壩體結(jié)構(gòu)會(huì)有危及下游安全并造成損失的風(fēng)險(xiǎn)，包括大壩維修期間導(dǎo)致的發(fā)電損失。因此，南屯電力公司決定再新建一座溢洪道。

2 新建溢洪道設(shè)計(jì)

2.1 方案比選

設(shè)計(jì)部門同時(shí)考慮了幾種方案，目的是將調(diào)節(jié)壩的排放量增加560 m3/s?？紤]到壩體的幾何結(jié)構(gòu)和右岸沿坡公路現(xiàn)狀，新建溢洪道選擇建在土石壩上。

設(shè)計(jì)部門分別從投資、工期以及對(duì)現(xiàn)有調(diào)節(jié)池的運(yùn)行影響3個(gè)方面，對(duì)比分析了以下3種技術(shù)方案： ①新建一條帶鉸鏈?zhǔn)介l門的溢洪道； ②新建一條帶拋石防護(hù)渠道的自由流溢洪道； ③新建一條帶植被防護(hù)渠道的自由流溢洪道。

在10 000 a一遇洪水工況下，新建溢洪道流量和調(diào)節(jié)池水位關(guān)系模擬曲線示意如圖2所示。

圖2 新建溢洪道流量和調(diào)節(jié)池水位關(guān)系模擬曲線示意

圖3 自由流溢洪道平面示意

通過對(duì)比，最終選擇了帶植被防護(hù)渠道的自由流溢洪道。在該創(chuàng)新性方案中，充分利用了土壩的長度和巨大的填土平臺(tái)，用以保護(hù)土石壩以防侵蝕。在這種特殊環(huán)境下，通過成本效益分析，溢洪道渠道植被防護(hù)方案優(yōu)于拋石防護(hù)方案。

閘控溢洪道方案的落選原因是施工期間需要降低調(diào)節(jié)池的水位，會(huì)影響水庫運(yùn)行很長一段時(shí)間。另外，自由流溢洪道的維護(hù)成本較低，相對(duì)閘控溢洪道也更加安全。自由流溢洪道平面和剖面示意分別見圖3～4。

圖4 自由流溢洪道典型剖面示意

2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

新建溢洪道的設(shè)計(jì)主要遵循以下原則。

(1) 溢洪道寬度盡量大，以最大限度增加泄洪量。

(2) 確定溢洪道壩頂高程時(shí)，要考慮避免正常運(yùn)行條件下調(diào)節(jié)池的溢流問題。正常蓄水位(FSL)下，壩頂高程設(shè)計(jì)為178.05 m，僅包含5 cm的自由度。

(3) 溢洪道的縱坡設(shè)計(jì)需滿足： ①除了與南屯河的交界區(qū)域外，保證高速水流和可能出現(xiàn)的湍流或水躍位于拋石混凝土區(qū)域內(nèi)；② 除了與南屯河的交界區(qū)域外，保證低速水流位于溢洪道內(nèi)。

(4) 在渠道左岸新增橫坡，以便使雨水徑流或低速水流直接流至渠道左側(cè)，進(jìn)而經(jīng)下游匯入南屯河。由于壩體附近經(jīng)常出現(xiàn)高速水流和湍流，這樣做的目的是盡可能使高速水流和湍流遠(yuǎn)離現(xiàn)有大壩，避免壩體附近區(qū)域(已進(jìn)行拋石防護(hù))遭到破壞。

(5) 部分壩段由拋石混凝土進(jìn)行防護(hù)。在“硬表面”(拋石混凝土)和“軟表面”(植被)之間有一過渡區(qū)域，區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)柔性雷諾護(hù)墊和散拋石，目的是避免過渡區(qū)內(nèi)的潛在侵蝕影響到土石壩。

采用水力學(xué)一維模型(1D)和Fudda-Mascaret軟件，對(duì)自由流溢洪道的水力學(xué)性能進(jìn)行深入模型研究，以確保發(fā)生特大洪水時(shí)，大壩不會(huì)發(fā)生漫頂而能安全應(yīng)對(duì)。研究結(jié)果表明，如果自由流溢洪道長度和頂部高程分別設(shè)為265 m和178.05 m，在發(fā)生10 000 a一遇洪水時(shí)，調(diào)節(jié)池的最高水位低于179.50 m，且有50 cm的浮動(dòng)空間。同時(shí)也對(duì)其中一個(gè)閘門不可用的情況下， 發(fā)生5 000 a一遇的洪水時(shí)，進(jìn)行了自由流溢洪道運(yùn)行測試。

2.2.2 設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)設(shè)計(jì)原則和水力學(xué)計(jì)算結(jié)果，該條長265m的自由流溢洪道詳細(xì)設(shè)計(jì)具體如下(從上游至下游)。

(1) 在土工布上設(shè)置長 8.30 m、厚60 cm的水平拋石(W50=70 kg)防護(hù)層。

(2) 設(shè)置鋼筋混凝土梁(寬 0.5 m×高1 m)形成高程 178.05的頂部巖坎，目的是防止土石壩滲漏以及確定精確的壩頂高度。

(3) 在土工布上設(shè)置長28 m的拋石(W50=50 kg)混凝土防護(hù)層，厚度在0.6 ～1 m之間變化，縱坡坡度為5%。

(4) 設(shè)置一條長10 m的雷諾石籠護(hù)墊防護(hù)層(厚 0.30 m)。

(5) 在溝渠內(nèi)設(shè)置一條長6.50 m的拋石(W50=50 kg)防護(hù)層，厚度在 0.5～1.5 m之間，置于土工布層上。

(6) 設(shè)置面積 7.5 hm2的緩坡溢洪道，從右岸到左岸坡度在 0.15%至0.30%之間變化。區(qū)域內(nèi)覆蓋10 cm厚的表土，表土上部進(jìn)行植被防護(hù)?？稍谝绾榈篮哟膊课环N植百慕大草(撒哈拉種類)或在其兩邊橫坡種植巖蘭草(宋卡黎逸種類)。

(7) 溢洪道出口設(shè)置在和南屯河交界處，由巖蘭草防護(hù)的斜坡(坡度1∶3)和一個(gè)平坦平臺(tái)組成。

2.3 植被選擇

由于該溢洪道規(guī)模較大(寬250 m、長300 m)，因此除常規(guī)拋石或混凝土之外，還考慮了既經(jīng)濟(jì)又耐用的渠道防護(hù)方案。

考慮到渠道特點(diǎn)，包括近水平渠道、水流最大流速(2.4 m/s)以及抗腐蝕土壤等條件，經(jīng)檢閱文獻(xiàn)，預(yù)選了百慕大草和巴荷芽草作為抗水流侵蝕的植物。

充分比較后，最終選擇了百慕大草(狗牙根草)，當(dāng)?shù)胤Q為Ya Phaek。因?yàn)樵摬菀呀?jīng)在該地區(qū)生長，并較好地適應(yīng)了其氣候和現(xiàn)場條件。另外百慕大草生成速度快，根莖系統(tǒng)發(fā)達(dá)，能承受連續(xù)的洪水，以及懸浮沉積物和大尺寸土顆粒的磨損。各種植被防護(hù)溢洪道的容許流速見表2。

表2 各種植被防護(hù)溢洪道的容許流速 m/s

溢洪道岸坡和出口均有一個(gè)陡坡，不僅要防止?jié)B漏，還要預(yù)防每年的徑流磨損。巖蘭草被選中是因?yàn)槠涓岛苌?，且抗剪?qiáng)度高。2012年，就已選中巖蘭草(宋卡黎逸種類)，用于調(diào)節(jié)池旁邊500 kV輸電線塔護(hù)坡。在這次考察中，又發(fā)現(xiàn)了該草的經(jīng)濟(jì)性和高抗性，尤其是在旱季無灌溉的情況下突顯其特性。

3 建設(shè)階段

3.1 合 同

除了考慮報(bào)價(jià)和工程質(zhì)量外，新建溢洪道承包商的選擇還需考慮以下條件。

(1) 工期進(jìn)度。所有工程必須在一個(gè)旱季完成，即11月中旬至次年6月中旬。

(2) 擔(dān)保。合同必須明確南屯電力公司對(duì)工程項(xiàng)目任何潛在的缺陷有整改權(quán)。

通過談判，南屯電力公司最終選擇了南屯2項(xiàng)目的土建承包商作為新建溢洪道項(xiàng)目的承包商， EDF公司作為業(yè)主工程師。承包商合同基于FIDIC紅皮書，監(jiān)理工程師合同基于FIDIC白皮書，兩項(xiàng)合同總價(jià)為750萬美元。

3.2 工期進(jìn)度

雨季施工是該項(xiàng)目面臨的主要挑戰(zhàn)之一，施工進(jìn)度須適應(yīng)降雨帶來的時(shí)間限制。項(xiàng)目實(shí)施期間，除了大壩安全和人工安全外，還包括村民到南屯河左岸的通行問題及植被種植等干擾因素。

為解決左岸棄渣運(yùn)至右岸棄渣場問題，專門在南屯河上修建了臨時(shí)通道，每天約有100～130次的卡車往返，有效避免了壩頂交通堵塞問題。根據(jù)2010～2013年旱季南屯河最大自然流量記錄，自然流量的最大值在15 m3/s(11月)和40 m3/s(5月)之間，6月達(dá)到355 m3/s。由于臨時(shí)通道的過流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 m3/s，因此土方工程的施工時(shí)間就限制在11月中旬至次年5月中旬。

植被工程的目標(biāo)是在2016年5月末開始種植巖蘭草等植被，以便能趕上首次降雨，同時(shí)避免昂貴的灌溉費(fèi)用和草種被后期大雨沖走的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 工程量

項(xiàng)目主要工程量如下：

挖方量 262 000 m3

廢料處置 243 000 m3

拋石 13 000 m3

拋石混凝土 8 000 m3

雷諾護(hù)墊 950 m3

混凝土 5 700 m3

植被工程 75 000 m3

巖蘭草 150 000株

百慕大草籽 750 kg

石灰 15 t

有機(jī)肥料 37 t

3.4 質(zhì)量控制

在質(zhì)量控制計(jì)劃中，重點(diǎn)關(guān)注了以下兩個(gè)方面的問題。

(1) 在易發(fā)生水躍的位置。設(shè)置厚度為1 m的拋石混凝土層。該措施在拋石間隙完全充填混凝土?xí)r才有效，因此施工期間，按照每層30 cm進(jìn)行施工，以確保施工質(zhì)量。

(2) 為確保植被種植質(zhì)量，對(duì)溢洪道土體進(jìn)行了翻挖，并鋪設(shè)厚10 cm的表土層，之后利用石灰將土壤pH值調(diào)整為6。渠道區(qū)域內(nèi)約種植了100 kg/hm2百慕大草草種，在橫坡和渠道出口區(qū)域種植了140 000株巖蘭草。盡管露根栽植比塑料袋栽植便宜4倍，但后者存活率比前者高3倍，最終選擇了塑料袋栽植。

3.5 其他問題及解決措施

項(xiàng)目實(shí)施期間，南屯電力公司重點(diǎn)關(guān)注了工程設(shè)施和周邊社區(qū)的整合問題。新建溢洪道工程遵循和南屯2電站同樣的要求，包括世界銀行和亞洲開發(fā)銀行(ADB)的安保及赤道原則。具體措施包括創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)、提供培訓(xùn)、合理補(bǔ)償和提供通行等，比如在南屯2水電調(diào)節(jié)壩附近為村民建造的新交通橋。

項(xiàng)目雇傭的大多數(shù)勞動(dòng)力(120名中的80名)來自周邊村落，經(jīng)過承包商培訓(xùn)后，主要從事土建和植被作業(yè)。在歷時(shí)8個(gè)月的建設(shè)期，監(jiān)管工作由2位區(qū)工作人員承擔(dān)。共有8處稻田受到了該工程的影響。在南屯2水電工程移民管理單位的監(jiān)管下，南屯電力公司對(duì)受影響的農(nóng)民進(jìn)行了補(bǔ)償。

村民的通行問題是該項(xiàng)目的主要關(guān)注點(diǎn)之一。2010年大壩運(yùn)行后，南屯電力公司允許村民經(jīng)由調(diào)節(jié)壩到左岸的耕地區(qū)域進(jìn)行勞作。而在21世紀(jì)初，該區(qū)域只能通過涉水到達(dá)。

在新溢洪道建設(shè)期間以及運(yùn)行之后，由于禁止徒步穿過大壩，南屯電力公司通過以下兩大措施，來保障村民施工期左右岸通行的人身安全和完工后的永久通行問題。

(1) 施工期內(nèi)，在溢洪道上搭建一條臨時(shí)安全通道，并設(shè)置防護(hù)圍欄及配備4名保安。

(2) 在大壩下游800 m處，修建一條橫跨南屯河的永久性、允許漫水的混凝土人行道。大橋(寬度 2.25 m，長度57 m)選址原則是既不影響溢洪道泄洪能力，又能完全滿足村民們的需求。

在臨時(shí)通道拆除的同時(shí)，該永久人行通道建成，保證了村民左右岸正常通行。

圖6 3個(gè)取樣站的南屯河水渾濁度測量

3.6 環(huán)保監(jiān)管

通過3個(gè)取樣站監(jiān)測該新建流溢洪道對(duì)南屯河水質(zhì)的影響，其中包括施工現(xiàn)場上游的兩個(gè)站(NKT1和NKT2)和下游的一個(gè)站(NKT4)。南屯河取樣站布局見圖5。

監(jiān)測參數(shù)包括pH值、溫度、導(dǎo)電率、DO(溶解氧)、TSS(可溶性固形物)、渾濁度以及水生無脊椎動(dòng)物。根據(jù)對(duì)水生無脊椎動(dòng)物的監(jiān)測評(píng)定結(jié)果，下游生物種類多樣性、人口組成及密度保持穩(wěn)定，并沒有立即發(fā)生變化。社區(qū)變化，特別是人口密度，與首次降雨事件有很大關(guān)系。溢洪道的建設(shè)沒有引起任何有機(jī)物污染，通過棲息地研究，也未發(fā)現(xiàn)NKT4監(jiān)測站附近區(qū)域的基質(zhì)發(fā)生變化。3個(gè)取樣站的南屯河水渾濁度測量見圖6。

圖5 南屯河取樣站布局

總體來說，該新建溢洪道施工短期內(nèi)對(duì)局部地區(qū)干擾較小，且未對(duì)水質(zhì)和下游的棲息地產(chǎn)生影響。

3.7 限制條件

溢洪道內(nèi)的水流流速非常接近百慕大草可以承受的最大流速。另外，在發(fā)生10 000 a一遇洪水時(shí)，溢洪道出口附近的流速將達(dá)到5 m/s，水流入河口處可能出現(xiàn)湍流。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)通過以下幾點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充說明。

(1) 該溢洪道作為應(yīng)急溢洪道，僅在所有原閘門不能滿足泄洪要求時(shí)方才啟用，每年發(fā)生這種情況的概率僅為1/1500。

(2) 發(fā)生10 000 a一遇洪水時(shí)，溢出事件的持續(xù)時(shí)間較短，預(yù)計(jì)僅為4 h；

(3) 溢洪道出口距土石壩段較遠(yuǎn)，且渠道內(nèi)土壤不易侵蝕。

因此，對(duì)土石壩完整性存在的潛在侵蝕風(fēng)險(xiǎn)是可以承受的。但是，鑒于流速和所選的植被防護(hù)方案，不可能保證渠道本身和入河口處因降雨徑流不發(fā)生表面溪流侵蝕。因此，儲(chǔ)存了備用的拋石，以便受損區(qū)域可以得到及時(shí)補(bǔ)救。預(yù)計(jì)這類修補(bǔ)工程會(huì)出現(xiàn)在首次雨季，因?yàn)榇藭r(shí)徑流會(huì)優(yōu)先選擇溢洪道作為通往南屯河的路線。

4 結(jié) 語

2011年8月，熱帶風(fēng)暴洛坦襲擊了南屯河流域。南屯2電站調(diào)節(jié)壩經(jīng)歷了一場洪峰流量超過1 300 m3/s的洪水，根據(jù)原始水文資料，對(duì)應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000 a一遇。

根據(jù)最新的水文、降雨及修正過的地形數(shù)據(jù)，南屯電力公司對(duì)南屯河流域進(jìn)行了新的水文研究。據(jù)此，南屯河流域10 000 a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)由1 500 m3/s修正為2 060 m3/s，超過了現(xiàn)有調(diào)節(jié)壩閘門的最大泄洪量。

鑒于此，南屯電力公司決定新建一條溢洪道，以提高大壩的泄洪能力。通過比選，最終選擇了上述自由流溢洪道方案，設(shè)置于原調(diào)節(jié)壩土石壩段的壩頂位置。由于新建溢洪道與土石壩下游面接觸區(qū)域有大量的處置廢料，因此溢洪道的防護(hù)方案設(shè)計(jì)為植被防護(hù)，而非常規(guī)拋石防護(hù)。植被類型選擇需要慎重考慮，要能夠承受洪水來臨時(shí)較高流速的水流沖刷。

新建溢洪道工程于2014年11月開工，2015年5月完工，經(jīng)歷了整個(gè)旱季，期間并未對(duì)電站正常運(yùn)行造成影響，總預(yù)算為750萬美元。在遵循南屯電力公司相關(guān)政策的前提下，經(jīng)過嚴(yán)格組織和監(jiān)管，相關(guān)的環(huán)保和社會(huì)民生問題得以妥善解決。

李 航 孫 言 譯

(編輯：唐湘茜)

2017-03-20

1006-0081(2017)07-0025-06

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