巴基斯坦卡洛特水電站溢洪道設(shè)計(jì)

崔玉柱 曹艷輝 楊曉紅 張超

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站具有泄量大、泥沙問題突出、地震烈度高、地質(zhì)條件復(fù)雜等典型特點(diǎn)。結(jié)合工程區(qū)地形地質(zhì)條件，溢洪道布置在右岸河灣地塊，主要由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及下游消能區(qū)組成，其中控制段包括2個(gè)有壓泄洪排沙孔和6個(gè)泄洪表孔。主要介紹了卡洛特水電站溢洪道布置、水力設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的設(shè)計(jì)成果，論述了溢洪道設(shè)計(jì)的合理性，可為工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：溢洪道;泄洪消能;消能防沖;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV651.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.008

卡洛特水電站工程區(qū)地震烈度高，依據(jù)NB35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]進(jìn)行劃分，其基本烈度為8度，溢洪道設(shè)計(jì)地震加速度代表值為0.26 g，建基面抗滑穩(wěn)定復(fù)核地震加速度代表值為0.31 g?？逄毓こ毯樗甯吡看螅：撕樗畼?biāo)準(zhǔn)為5 000 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為29 600 m3/s，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為20 700 m3/s。消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為12 200 m3/s，最大泄洪落差51.25 m。溢洪道建基巖體質(zhì)量類別均屬ⅢC～Ⅳc類，巖性軟弱，具微弱透水性，防滲條件較好。微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層抗沖能力差，地基地質(zhì)條件差，應(yīng)采取防沖刷措施。按GB 50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[2]，卡洛特水電站工程為Ⅱ等大（2）型工程，大壩、溢洪道、引水發(fā)電建筑物等主要永久性水工建筑物為2級(jí)建筑物，次要建筑物為3級(jí)建筑物，主要和次要水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級(jí)別均為Ⅱ級(jí)。本文主要介紹溢洪道布置、水力設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的設(shè)計(jì)成果。

1 溢洪道布置

1.1 布置原則

卡洛特水電站溢洪道具有泄量大、水庫泥沙淤積問題突出、地震烈度高、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。根據(jù)工程的泄洪規(guī)模和樞紐布置特點(diǎn)，結(jié)合工程區(qū)的地形、地質(zhì)條件，水文特性、水庫調(diào)度特點(diǎn)，擬定泄洪消能建筑物布置原則如下：

（1）工程水庫庫容相對(duì)較小、無防洪庫容，調(diào)節(jié)能力小，樞紐泄洪頻繁，泄洪建筑物需運(yùn)行靈活，安全可靠，選擇泄洪設(shè)施規(guī)模宜在國(guó)內(nèi)外已有工程范圍內(nèi);在滿足排沙要求的基礎(chǔ)上，盡量選用超泄能力強(qiáng)的表孔。

（2） 卡洛特水庫庫容小，庫沙比約為5∶1，泥沙淤積問題較突出，為集中水流拉沙，需設(shè)置規(guī)模適當(dāng)?shù)妮^低高程排沙洞或排沙孔口，并盡量集中布置在電站進(jìn)水口附近，確保進(jìn)水口“門前清”。

（3） 確保大壩安全和兩側(cè)河岸穩(wěn)定的前提下，合理調(diào)配孔口開啟方式，充分利用水墊厚度，綜合考慮巖石的抗沖能力，合理確定消能區(qū)防護(hù)規(guī)模。

根據(jù)上述原則確定卡洛特水電站溢洪道進(jìn)口布置在河灣地塊上游段的右岸，穿越河灣地段后，下游出口位于“S”型河灣的尾部，呈近SEE向，溢洪道軸線與下游河道夾角約為35°。溢洪道軸線選擇弧線接直線型式，圓弧段位于進(jìn)水渠內(nèi)，直線段長(zhǎng)度624.8 m，溢洪道軸線總長(zhǎng)795.3 m，溢洪道布置見圖1。溢洪道建筑物為2級(jí)建筑物，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及下游消能區(qū)組成。

1.2 進(jìn)水渠

溢洪道進(jìn)水渠軸線采用弧線接直線型式，弧線半徑為500 m，夾角19.38°，弧線長(zhǎng)度170.5 m，直線長(zhǎng)度80 m，總長(zhǎng)250.5 m。進(jìn)水渠大部分渠底高程為431.00 m，泄洪排沙孔前局部渠底高程降低為423.00 m。進(jìn)水渠進(jìn)口為非對(duì)稱喇叭形，底寬在順?biāo)鞣较蛑饾u收縮，至控制段前與溢流前緣等寬。進(jìn)水渠首端底寬約370 m，末端底寬150.4 m。首末端底寬之比約2.5∶1，進(jìn)水渠內(nèi)堰前控制斷面在設(shè)計(jì)洪水工況下其斷面平均流速約3 m/s，校核洪水工況下平均流速約4 m/s。

1.3 控制段

溢洪道控制段共設(shè)12個(gè)壩段，由8個(gè)溢流壩段和4個(gè)非溢流壩段組成，壩頂長(zhǎng)度218 m?？刂贫?～10號(hào)壩段為溢流壩段，溢流壩段3號(hào)壩段寬19.80 m，4號(hào)壩段寬23.70 m，5～9號(hào)壩段寬度均為19.00 m，10號(hào)壩段寬21.50 m。溢流壩段總寬160.00 m，共布置2個(gè)有壓泄洪排沙孔和6個(gè)泄洪表孔。溢流壩段上游壩面為鉛直面，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度53.38 m?？刂贫稳鐖D2所示。

3號(hào)和4號(hào)壩段集中布置泄洪排沙孔，排沙孔進(jìn)口底板高程為423.00 m，孔口尺寸為9 m×10 m（寬×高），兩個(gè)泄洪排沙孔之間隔墻厚6 m，隔墻中部設(shè)置橫縫。每個(gè)泄洪排沙孔設(shè)平面事故檢修門槽和弧形工作門各一道，平面事故檢修門由壩頂門機(jī)啟閉，弧線工作門由布置于壩內(nèi)弧門啟閉機(jī)房的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。泄洪排沙孔采用有壓短管進(jìn)口，進(jìn)口型式為喇叭型。表孔布置在5～10號(hào)壩段，表孔堰頂高程439.00 m，孔口尺寸為14 m×22 m（寬×高）。采用孔中分縫型式，每個(gè)表孔中設(shè)平面事故檢修門槽和弧形工作門各一道，壩頂上游側(cè)設(shè)門機(jī)大梁，下游側(cè)設(shè)弧形工作門啟閉機(jī)房。表孔壩段底部建基面高程417.00～425.00 m。表孔左邊墩厚4.7m，中墩厚5m，右邊墩厚4.5 m。表孔左邊墩位于2號(hào)泄洪排沙孔壩段，與泄洪排沙孔共用閘墩。

溢流壩段左側(cè)設(shè)1，2號(hào)非溢流壩段，右側(cè)設(shè)11，12號(hào)非溢流壩段。非溢流壩段基本斷面均為三角形，上游面鉛直，下游壩坡1∶0.9。

1.4 泄槽

泄槽軸線采用直線，與控制段壩軸線垂直，泄槽底板縱坡i=4.5%。泄槽由中隔墻分為4個(gè)區(qū)，即2個(gè)泄洪排沙孔為一個(gè)泄洪區(qū)、6個(gè)表孔每2個(gè)孔為一個(gè)泄洪區(qū)。泄洪排沙孔泄洪寬度為24.7 m，表孔區(qū)的泄洪寬度從左至右依次為35.0，35.0 m和34 m，總泄洪寬度129.7 m。為適應(yīng)天然地形地質(zhì)條件，挑流鼻坎在平面上采用差動(dòng)式布置，泄洪排沙孔區(qū)和表孔左區(qū)平齊，其他相鄰兩區(qū)平面差動(dòng)距離均為20 m。泄槽段4個(gè)區(qū)從左至右軸線長(zhǎng)度依次為258.43，258.43，278.43 m和298.43 m。泄槽橫斷面為矩形，左邊墻高11.5～14.5 m，厚1.2m;中隔墻和右邊墻高12.7～15.4 m，最大厚度3 m。泄槽底板縱橫向分縫，縱縫間距一般為10 m，橫縫間距11～12.75 m。

為降低泄槽底板的揚(yáng)壓力，泄槽左、右邊墻底部以及挑流鼻坎底部均布置排水廊道，同上游控制段內(nèi)的基礎(chǔ)灌漿排水廊道貫通，廊道尺寸均為2.5m×3m，通過排水廊道沿泄槽底板布置深排水孔幕;另外在泄槽底板各分縫處均設(shè)相互連通的縱橫向透水軟管與泄槽左、右邊墻底部以及挑流鼻坎下部的排水廊道相接。溢洪道控制段和泄槽基礎(chǔ)滲水均通過排水廊道匯集于表孔泄槽右區(qū)挑流鼻坎下部的集水井內(nèi)，通過水泵將水抽至下游。

1.5 挑流鼻坎

溢洪道采用挑流消能，與泄槽分區(qū)相對(duì)應(yīng)，分為4個(gè)挑流鼻坎，表孔右區(qū)挑流鼻坎采用連續(xù)式，反弧半徑60 m，挑角30°;泄洪排沙孔區(qū)、表孔左區(qū)及表孔中區(qū)挑流鼻坎采用扭鼻坎型式。從左至右挑流鼻坎坎頂高程依次為414.10～418.95 m、418.95～414.10 m、418.05～413.20 m和417.15 m。各分區(qū)挑流鼻坎段基礎(chǔ)開挖高程均為404.50 m。

根據(jù)泄槽底板封閉抽排布置需要，挑流鼻坎段內(nèi)設(shè)橫向排水廊道與泄槽左、右邊墻內(nèi)的縱向排水廊道相接。為排除整個(gè)封閉抽排系統(tǒng)的滲水，在表孔右區(qū)內(nèi)橫向排水廊道下游布置集水井，集水井底板高程395.50 m，底部建基面高程為394.75 m，凈空尺寸為4.5 m×8 m ×8 m（長(zhǎng)×寬×高），集水井上部抽水泵房底板高程404.75 m，凈空尺寸為10.4 m×8 m×4.5 m（長(zhǎng)×寬×高）。

1.6 下游消能區(qū)

由于溢洪道挑流鼻坎段建基面位于陡崖處，在溢洪道中心線上，溢洪道挑流鼻坎段距下游主河道約180 m，為與下游主河道順暢銜接，溢洪道出口下游消能區(qū)采用預(yù)挖型式。挑流鼻坎末端基礎(chǔ)開挖高程404.50 m，向下游按1∶0.7開挖至消能區(qū)防淘墻頂高程381.00～387.00 m，在高程391.50 m處設(shè)置寬3 m馬道。

消能區(qū)工程防護(hù)措施采用護(hù)岸不護(hù)底型式。對(duì)消能區(qū)左岸邊坡、挑流鼻坎基礎(chǔ)下部開挖邊坡，以及右岸邊坡高程420.00 m以下長(zhǎng)150 m范圍內(nèi)的開挖邊坡采用2 m厚C25鋼筋混凝土進(jìn)行保護(hù)。為避免泄洪時(shí)水流淘刷岸坡坡腳，結(jié)合水工模型試驗(yàn)不同工況下下游消能區(qū)的沖刷情況，確定對(duì)消能區(qū)混凝土護(hù)坡范圍內(nèi)的岸坡坡腳采用厚3m的C20混凝土防淘墻進(jìn)行防淘刷保護(hù)。

2 溢洪道水力設(shè)計(jì)

2.1 泄流能力計(jì)算及調(diào)洪演算

泄洪表孔采用開敞式溢流堰，堰頂下游采用WES冪曲線，堰頂上游采用橢圓曲線。泄洪排沙孔采用有壓短管接明流的無壓壩身泄洪孔型式。進(jìn)口型式為喇叭形，其孔頂和兩側(cè)均采用橢圓型曲線。泄洪排沙孔進(jìn)口段后緊接平板事故檢修門槽段和1∶4.5壓坡段，壓坡段出口端孔口尺寸為9 m×10 m，后接弧形工作門，弧形工作門后為明流段。根據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，表孔、泄洪排沙孔泄流能力計(jì)算成果見表1?？紤]水庫調(diào)蓄作用，卡洛特水電站的調(diào)洪演算成果見表2。表孔和泄洪排沙孔最大單寬流量均居世界同類工程前列。

2.2 水庫放空計(jì)算

根據(jù)水文資料，卡洛特大壩壩址區(qū)枯水期月份為10月至次年2月，因此正常情況下水庫放空從10月開始。放空期間水庫來水量按10 a一遇月平均流量進(jìn)行計(jì)算?？紤]到卡洛特工程為日調(diào)節(jié)水庫，為避免放空時(shí)水庫庫水位驟降帶來的庫岸穩(wěn)定和大壩穩(wěn)定問題，按照1 d內(nèi)庫水位降低不超過5 m控制下泄，電站機(jī)組過流和泄洪排沙孔過流即可滿足下泄流量要求。

根據(jù)計(jì)算，水庫放空從10月初開始，起始水位為461 m，庫水位由461 m降至死水位451 m時(shí)，由電站單獨(dú)過流放空，放空時(shí)間為2 d;庫水位降至死水位451 m后，電站停機(jī)過流，由泄洪排沙孔單獨(dú)過流，直至水庫放空。放空期間入庫流量取10 a一遇月平均流量462 m3/s，在庫水位429 m時(shí)，來流量大于泄洪排沙孔敞泄泄量，因此水庫水位最低放空至水位430 m。水庫由死水位451 m放空至430 m的時(shí)間約5 d。按10 a一遇來水考慮，從10月上旬至第二年2月底，庫水位均可維持在431 m以下，此時(shí)水庫剩余庫容約0.38億m3，水面以上壩高為38.5 m，因此，大壩具備放空檢修條件。

2.3 消能防沖水力計(jì)算

溢洪道斜穿河灣山脊，消能方式為表孔右區(qū)泄槽采用等寬連續(xù)挑坎，泄洪排沙孔區(qū)、表孔左區(qū)及表孔中區(qū)均采用扭鼻坎挑流消能。目前尚無對(duì)扭鼻坎型式的水力計(jì)算公式，可通過模型試驗(yàn)觀測(cè)水力特性。

消能區(qū)巖石較軟弱，綜合考慮，下游消能防沖區(qū)基巖沖刷系數(shù)取1.8。消能防沖計(jì)算主要包括挑距計(jì)算以及下游沖坑估算。挑距按連續(xù)式挑坎估算，采用下式計(jì)算。

[L=1g[v21sinθcosθ+v1cosθv21sinθ2+2g（h1+h2）]]（1）

式中，L為自由挑坎頂算起的挑流水舌外緣與下游水面交點(diǎn)的水平距離，m;[v1]為坎頂水面流速，m/s，θ為挑坎角度，°;[h1]為坎頂鉛直方向水深，m;[h2]為坎頂至下游水面高差，m;g為重力加速度，m/s2。

表孔右區(qū)挑距及沖坑最大水墊深度計(jì)算結(jié)果表明，表孔下游沖刷受大洪水控制。消能設(shè)計(jì)工況下，表孔右區(qū)泄槽下游沖坑底高程為360.34 m，相應(yīng)至沖坑底部的挑距為114.82 m。下游消能區(qū)為開挖渠道，渠道開挖底高程為381～387 m。表孔右區(qū)各工況下的沖坑后坡坡比均小于1∶2.5，挑流鼻坎基礎(chǔ)不受沖坑發(fā)展的影響。

3 水工模型試驗(yàn)

3.1 整體水工模型試驗(yàn)

為論證現(xiàn)溢洪道泄洪消能整體布置方案的合理性，并為泄洪表孔、泄洪排沙孔體型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)方委托長(zhǎng)江科學(xué)院開展了1∶100水工整體模型試驗(yàn)和1∶100泥沙整體模型試驗(yàn)研究。

整個(gè)水工模型河道地形采用等高線法制作，溢洪道表孔壩面采用純水泥砂漿制作，溢洪道泄槽、泄洪排沙孔、泄洪表孔及電站進(jìn)出口采用有機(jī)玻璃制作。上游設(shè)置1個(gè)水尺，位于溢洪道上游引渠進(jìn)口;下游設(shè)置1個(gè)水尺。圖3和圖4為整體水工模型試驗(yàn)成果。試驗(yàn)成果表明，表孔、泄洪排沙孔單獨(dú)泄洪和聯(lián)合泄洪時(shí)的泄流能力較設(shè)計(jì)泄流能力計(jì)算值的誤差在允許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)泄流能力滿足要求。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，推薦的溢洪道泄洪消能整體布置方案基本合理。

3.2 減壓模型試驗(yàn)研究

為論證溢洪道表孔和泄洪排沙孔所采用體型的合理性，準(zhǔn)確分析溢洪道溢流堰相關(guān)部位體型的水力特性和空化特性，評(píng)價(jià)其抗空化能力，在Level 2設(shè)計(jì)階段，長(zhǎng)江科學(xué)院開展了表孔和泄洪排沙孔減壓模型試驗(yàn)研究。減壓模型試驗(yàn)主要研究了泄洪排沙孔泄流有壓段全程動(dòng)水時(shí)均壓力分布，尤以進(jìn)口曲線段、事故檢修門槽區(qū)等部位為重點(diǎn)關(guān)注，分析水力特性;在減壓狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)泄洪排沙孔有壓段體型易空化部位在運(yùn)行中的噪聲信息，分析判斷相關(guān)區(qū)域的空化特性、泄洪排沙孔檢修閘門門槽體型的初生空化數(shù)及各運(yùn)行工況下的水流空化數(shù)，評(píng)價(jià)該門槽體型的抗空化安全能力。模型試驗(yàn)成果表明，推薦的表孔和泄洪排沙孔設(shè)計(jì)體型合理。

4 溢洪道結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 控制段二維穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)資料，溢洪道控制段3號(hào)泄洪排沙孔壩段壩基巖體為砂巖。4號(hào)泄洪排沙壩段壩基巖體為粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，基巖計(jì)算參數(shù)取粉砂質(zhì)泥巖。5號(hào)泄洪表孔壩段，壩基巖體主要為粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，部分建基面開挖至砂巖，壩基巖體參數(shù)按20%砂巖和80%粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行面積加權(quán)平均取值計(jì)算。7號(hào)泄洪表孔壩段壩基巖體為砂巖。壩基巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表3。根據(jù)NB/T 35026-2014《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，上述壩段二維穩(wěn)定計(jì)算成果見表4。計(jì)算成果表明，典型壩段在各種工況下的建基面抗滑穩(wěn)定承載能力極限狀態(tài)均滿足規(guī)范要求。

4.2 控制段三維有限元靜動(dòng)力分析

考慮到卡洛特水電站設(shè)計(jì)地震烈度較高，為充分論證控制段設(shè)計(jì)的合理性，選擇5號(hào)泄洪表孔壩段以及位于岸坡部位的3號(hào)泄洪排沙孔壩段進(jìn)行三維有限元靜動(dòng)力分析。其中3號(hào)壩段壩基巖體為砂巖，5號(hào)壩段壩基巖體為粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，巖體參數(shù)低，為表孔壩段的控制斷面。計(jì)算時(shí)，各壩段地基豎直向，上、下游方向均取1.5倍壩高，垂直流向的大壩兩側(cè)面為自由邊界，地基底面全約束、側(cè)面法向約束。

泄洪表孔和泄洪排沙孔壩段的三維有限元靜力計(jì)算典型成果見圖5～6。計(jì)算結(jié)果表明，壩體位移和應(yīng)力分布符合一般規(guī)律。在地震工況下，壩體部分區(qū)域靜動(dòng)疊加后的拉應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力為3.79 MPa，適當(dāng)配置鋼筋即可。壩體靜動(dòng)疊加最大壓應(yīng)力小于混凝土抗壓強(qiáng)度，基巖承載力能滿足要求。

5 結(jié) 語

卡洛特水電站溢洪道泄洪流量大，地震烈度高，地質(zhì)條件差，工程設(shè)計(jì)難度大。本文從溢洪道布置、水力設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)論述了溢洪道設(shè)計(jì)的合理性，可為工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] NB 35047-2015水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50201-2014防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] DL/T 5166-2002溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] NB/T 35026-2014混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

（編輯：李曉濛）

Spillway design of Karot Hydropower Station in Pakistan

CUI Yuzhu1，CAO Yanhui2， YANG Xiaohong2， ZHANG Chao2

（1. ?Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Wuhan 430010，China;

2. Changjiang Survey， Planning， Design and Research， Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： The Karot Hydropower Station has the typical characteristics of large discharge， prominent sediment problem， high seismic intensity and complex geological conditions etc. According to topographic and geological conditions， spillway is located on the right bank， which consists of headrace， control section， chute， flip bucket and energy dissipation zone. The control section consists of two pressure flood and sediment releasing outlets and six flood discharge surface outlets. This paper mainly introduces the design of spillway layout， hydraulic design， model tests and structure analysis and analyzes the design rationality of the spillway to provide scientific basis for the project construction.

Key words： spillway; flood discharge and energy dissipation; anti-scouring; Karot Hydropower Station; Pakistan