底欄柵壩在巴基斯坦水電站中的應(yīng)用

譚立清，何忠富

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 工程概況

巴基斯坦Naltar水電站，位于巴基斯坦北部地區(qū)Gilgit市Naltar河中上游，是該河道梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃中的中梯級(jí)電站（上梯級(jí)和下梯級(jí)暫未開(kāi)發(fā)），工程以發(fā)電為目的。樞紐主要建筑物由取水頭部、沉砂池、輸水渠道、電站前池、壓力鋼管、電站廠(chǎng)房、尾水渠、升壓站、城區(qū)中心變電所、輸電線(xiàn)路等部分組成。電站裝機(jī)為3臺(tái)單機(jī)容量6MW的臥式?jīng)_擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量18MW，單機(jī)引用流量1.75m3/s。

2 泥沙及地質(zhì)

（1）泥沙。Naltar河是一個(gè)山區(qū)河流，98.00％的水都來(lái)源于山，河床和山谷都是由漂石、礫石和砂組成的。在低河段水流狀況多數(shù)是紊流，懸移質(zhì)主要受地貌結(jié)構(gòu)的影響，泥沙來(lái)源于冰川、暴風(fēng)雨的降雨，山體滑坡，坍坡和溝蝕。

根據(jù)巴基斯坦水電發(fā)展署對(duì)Naltar河推移質(zhì)和懸移質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，Naltar河年均推移質(zhì)輸送量為281萬(wàn)t，年均懸移質(zhì)為315萬(wàn)t（均主要發(fā)生在汛期）。

（2）工程地質(zhì)。壩址處呈不對(duì)稱(chēng)“U”谷，寬約30.00m（含左側(cè)道路），左右岸山坡立陡，主河床覆蓋層為第四紀(jì)沖洪積層，厚度約2.00～5.00m，由架空漂、卵石組成。

3 取水方案設(shè)計(jì)

根據(jù)河道地形、地質(zhì)及泥沙條件，基本否定了無(wú)壩取水方式，工程最初設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮溢流壩結(jié)合沖沙閘、引水閘方案，該方案是比較常用的引水型式，具有可靠度高、運(yùn)行方便，容易管理等特點(diǎn)。但在對(duì)河道推移質(zhì)深入研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于河道坡度陡，洪水時(shí)流速大，固體徑流不僅量多，而且平均粒徑很大，包括粗砂卵石以至大塊石，原設(shè)計(jì)方案很容易在在引水閘和沖沙閘閘前形成大塊石堆積，卵石填充，導(dǎo)致壩前庫(kù)區(qū)會(huì)很快淤平，阻礙河道水流進(jìn)入進(jìn)水閘，影響引水流量，同時(shí)坡陡水急，大粒徑卵石對(duì)沖砂閘門(mén)的撞擊對(duì)工程也構(gòu)成威脅，難以解決。

在對(duì)該地區(qū)河道引水式電站調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)引水頭部普遍采用閘壩結(jié)合方式，在類(lèi)似河道均存在上述缺陷，導(dǎo)致電站維護(hù)費(fèi)用高，經(jīng)常有電站停機(jī)現(xiàn)象。鑒于當(dāng)?shù)毓こ叹S護(hù)和管理水平，閘前堆石清理極為困難，采用閘壩結(jié)合方案難以滿(mǎn)足工程要求。

利用底欄柵壩式取水方式，解決了大粒徑卵石對(duì)沖砂閘門(mén)的撞擊，部分漂石、卵石堆積于壩前，部分卵石、砂礫石沖向壩下游。鋼制柵條有效的阻止粗大顆粒泥沙進(jìn)入取水廊道，細(xì)小顆粒泥沙經(jīng)沉砂池沉淀后，水質(zhì)滿(mǎn)足發(fā)電用水要求。底欄柵壩式取水頭部與其它形式的取水渠首比較，具有布置容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、工程造價(jià)低、易于運(yùn)用管理等優(yōu)點(diǎn)。

4 底欄柵取水壩設(shè)計(jì)

（1）底欄柵壩布置。底欄柵壩壩址的選擇，應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)、水文等自然條件，為使廊道進(jìn)水條件好，底欄柵壩軸線(xiàn)宜布置成垂直于天然主河流。該工程確定的底欄柵壩址兩岸有較好巖體出露，經(jīng)布置，壩全長(zhǎng)17.00m，右壩頭1.45m混凝土溢流堰體與巖體相連接，左壩頭1.45m空心混凝土溢流堰體與擋土墻連接，底欄柵柵段長(zhǎng)14.10m，壩頂高程為1 528.46m，最大壩高4.96m。壩上游設(shè)寬度為2.50m的漿砌石護(hù)底，下游設(shè)長(zhǎng)度為10.00m的漿砌石護(hù)坦，漿砌石厚度為0.50m。底欄柵壩廊道寬3.00m，底欄柵壩廊道底坡由4段折線(xiàn)連接。水通過(guò)暗涵引至沉砂池，暗涵出口設(shè)有閘門(mén)。閘門(mén)采用兩孔，孔口尺寸1.50m×1.50m，閘底板高程為1 523.74m；在閘門(mén)上方設(shè)閘門(mén)啟閉機(jī)工作平臺(tái)，工作平臺(tái)高程為1 528.90m。

欄柵設(shè)計(jì)采用值：柵隙s=8.00mm；柵條寬度t=14.00mm；柵條高度h=40.00mm；底欄柵傾斜坡度i=0.25。

（2）水力計(jì)算。底欄柵壩泄洪采用有坎寬頂堰計(jì)算，工程選址河床高程1 527.000m，寬頂堰坎高1.460m。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)流量143.00m3/s（P=2％）時(shí)：堰上水頭H=2.785m；設(shè)計(jì)水位1 531.245m（P=2％）；校核流量192.20m3/s（P=0.5％），堰上水頭H=3.350m，校核水位1 531.810m（P=0.5％）。

底欄柵廊道水力設(shè)計(jì)參照取水輸水建筑物叢書(shū)《取水工程》，該設(shè)計(jì)廊道的流態(tài)采用無(wú)壓，底欄柵進(jìn)流流量采用E.A.札馬林、B.B方捷耶夫的計(jì)算方法。柵欄寬度根據(jù)地形取14.00m，經(jīng)計(jì)算，欄柵水平投影長(zhǎng)度2.43m，考慮欄柵間隙堵塞，設(shè)計(jì)欄柵水平投影長(zhǎng)度取3.00m。

廊道內(nèi)水面曲線(xiàn)的計(jì)算，采用近似等流速法，為保證廊道內(nèi)水流為無(wú)壓狀態(tài)，底欄柵底距水面留有0.30m的超高，底坡根據(jù)底欄柵側(cè)槽水力計(jì)算和施工方便，采用4段折線(xiàn)連接。

該工程山區(qū)河床及河岸抗沖刷能力較大，底欄柵壩對(duì)河流過(guò)流影響相對(duì)較小，通過(guò)計(jì)算，收縮水深與臨界水深相差不大，如果采用常規(guī)底流消能中的消力池，推移質(zhì)可使它很快淤滿(mǎn)，而不起作用；該工程采用的是下深防沖墻的形式，為減小管理維修的目的出發(fā)，不按設(shè)計(jì)拋石坑的方式（拋石坑設(shè)計(jì)洪水過(guò)后必須要恢復(fù)，如不恢復(fù)將危及工程），而是按天然河床顆粒來(lái)計(jì)算沖刷坑的深度，防沖墻均下至沖刷深度以下，以保安全。

滲流計(jì)算采用阻力系數(shù)法，經(jīng)過(guò)計(jì)算，校核水位對(duì)應(yīng)單寬滲流量為0.000 85m/s；出口滲透坡降為0.09，小于管涌型地基土破壞允許坡度0.20，底欄柵壩不過(guò)流時(shí)對(duì)應(yīng)單寬滲流量為0.000 24m3/s，滲流損失0.004m3/s，河流最小流量Q=1.80m3/s。滲流損失相對(duì)較小，對(duì)引水量幾乎沒(méi)有影響，因此，未對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行防滲處理。壩體抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)際應(yīng)用

工程于2005年開(kāi)工，2007年5月竣工發(fā)電，施工期間壩前通過(guò)一次洪水后基本被塊石淤平，沉沙池內(nèi)淤沙也較為嚴(yán)重。工程通過(guò)近3年的運(yùn)行證明，利用底欄柵壩式取水方式很好的解決了推移質(zhì)對(duì)引水的影響，同時(shí)利用推移質(zhì)卵石對(duì)欄柵的碰撞，可減少和排除堵塞底欄柵的漂浮物和卡石，從而達(dá)到引水防漂防沙的目的。

通過(guò)對(duì)沉沙池運(yùn)行監(jiān)測(cè)，證明了沉沙池設(shè)置的必要性，減輕了電站前池淤積壓力。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)管理人員反映，電站運(yùn)行良好，底欄柵引用流量在平水期間能夠同時(shí)滿(mǎn)足發(fā)電和沖沙需求，取水頭部基本可以達(dá)到無(wú)人值守。

6 存在問(wèn)題

在工程度汛期間，由于超設(shè)計(jì)尺寸的巨形塊石滾落，造成欄柵柵條局部破壞，整體翹曲，同時(shí)，高流速夾粗粒徑卵石對(duì)混凝土壩面破損較為嚴(yán)重，局部保護(hù)層（0.10m厚）破壞，后又采用鋼板保護(hù)。

［1］宋祖詔，張思俊，詹美禮.取水工程［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

［2］李 煒，徐孝平.水利學(xué)［M］.武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社.