上馬蒂水電站技術(shù)改造探析

姚治平

（中國(guó)水利電力對(duì)外有限公司，北京100000）

1 工程概況

上馬蒂(Upper Madi)水電站位于尼泊爾西部卡斯基大區(qū)馬蒂河流域。裝有2 臺(tái)單機(jī)容量為12.5MW 混流式水能發(fā)電機(jī)組。電站設(shè)計(jì)引用流量25.5m3/s,額定發(fā)電水頭120m,設(shè)計(jì)發(fā)電量為13309 WkW·h/年,采用引水式開(kāi)發(fā)方式。工程包括首部樞紐、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、發(fā)電廠房及開(kāi)關(guān)站。主體工程,除攔河壩及消力系統(tǒng)外,均布置在馬蒂河右側(cè)。

2 水文、地質(zhì)

工程所在地年平均降雨量2853mm, 多年平均來(lái)流量33.2m3/s,枯水期流量5.29 m3/s,2 年一遇洪水流量296m3/s,5 年一遇洪水流量548m3/s,10 年一遇洪水流量759m3/s,50 年一遇洪水流量1280m3/s。多年平均輸沙量約244 萬(wàn)t, 年平均輸沙率約77.3kg/s。壩址推移質(zhì)沙量按推懸比20%計(jì), 推移質(zhì)沙量約為48.8 萬(wàn)t，年平均含沙量約2.33kg/m3,最大含沙量6.21kg/m3[1]。電站竣工前一年, 即2015 年4 月25 日尼泊爾發(fā)生8.1 級(jí)強(qiáng)烈地振,震中位于上馬蒂水電站所在地區(qū)博卡拉境內(nèi),地震造成大量山體滑坡。

3 技改誘因

工程所在區(qū)域,崇山峻嶺,河床兩岸山體坡度≥1:0.5,沙礫石地表,植被覆蓋率低;河槽平均坡度大于2%;每年5～10 月為雨季,山洪頻繁發(fā)生;離首部取水口上游4 公里處,大地震時(shí)形成的數(shù)百萬(wàn)方滑坡堆體;雨季洪水沖刷,大量沙礫石進(jìn)入主河道流經(jīng)首部樞紐。河槽抬高,流向改道,取水口無(wú)法取水;或來(lái)流挾帶推移質(zhì)、懸移質(zhì)進(jìn)入引水明渠,損毀構(gòu)筑物,堵塞取水口;被迫停止發(fā)電,嚴(yán)重影響電站效益。

4 技改

4.1 技改規(guī)劃

電站2016 年底竣工投產(chǎn),主體工程已定型,技改采取:

分流→排石、拉沙→限流→攔截推移質(zhì)→增強(qiáng)防沖、耐磨能力→人工干預(yù)→綜合治理,保證電站汛期正常生產(chǎn),枯期關(guān)閉所有分流通道集中來(lái)流供發(fā)電。技改分兩期實(shí)施。Ⅰ期完成明渠壩0-82～壩0±0.00 段構(gòu)筑物修復(fù)、改建、加固,為Ⅱ期技改創(chuàng)造條件;Ⅱ期完成壩0-82 以上新建、改建、修復(fù)、加固等項(xiàng)目。技改期間正常發(fā)電。技改具體內(nèi)容:修復(fù)加固2017 年汛期中損毀的首部引水系統(tǒng);汛期河道分流;新增結(jié)構(gòu)物,控制推移質(zhì)、懸移質(zhì)進(jìn)入引水明渠;提高明渠自身防沖抗磨功能。增強(qiáng)拉沙、排石效果;阻止推移質(zhì)進(jìn)入引水明渠;攔截推移質(zhì);降低其明渠中推移速度。

4.2 準(zhǔn)備

4.2.1 導(dǎo)流。Ⅰ期臨時(shí)導(dǎo)流工程:攔河壩體上設(shè)置橫向擋水圍堰兼作分流堰,分流堰右端接沙礫石高填方導(dǎo)流明渠,引流經(jīng)沉沙池翻水側(cè)堰直接進(jìn)入; Ⅱ期臨時(shí)導(dǎo)流工程: 位于原河槽壩0-280 修筑橫向圍堰,后接臨時(shí)導(dǎo)流明渠,經(jīng)潛堰至明渠左導(dǎo)墻壩0-82 陡坡段入明渠后段供發(fā)電取水。4.2.2 資源配置。設(shè)備、材料、勞動(dòng)力等資源,就地組織。

4.3 技改實(shí)施

4.3.1 原河槽汛期分流。壩0-310 段河中部修筑一條向下游延伸的河心島, 島前端圓弧形裹頭,6m 寬×15m 長(zhǎng)×2m 高巨礫石堆積體, 左右分流, 其右側(cè)導(dǎo)流入泄槽; 左河槽疏通1m 深×15m 寬,坡降1.95%的分流通道,直達(dá)潛堰缺口引流外泄,設(shè)計(jì)分流量是來(lái)流總量40%, 減輕泄槽負(fù)擔(dān)。4.3.2 明渠入口及河槽整治。保證引水明渠入口能在汛期中既能有效取水,又能充分抑止推移質(zhì)躍入取水口。此段增設(shè):泄槽、寬頂堰、砥流抑石墩、重力式擋水堤、拉沙口及附屬結(jié)構(gòu),協(xié)同發(fā)揮功效。⑴泄槽。引流供明渠側(cè)向取水及排泄推移質(zhì)。布置在壩0-229.3 至潛堰間,緊鄰明渠取水口河槽段。泄槽由上陡坡段, 下緩坡段及兩側(cè)導(dǎo)墻構(gòu)成,其中兩側(cè)導(dǎo)墻分別由右側(cè)寬頂堰、1#堆石區(qū)及左側(cè)束流堤構(gòu)成。上游段成喇叭狀,開(kāi)口寬度27.3m,底板▽942.7(文中高程 樁號(hào)單位m),長(zhǎng)27m,以10%坡降與緩坡段相接。緩坡段起口▽940,全長(zhǎng)46m,末端▽939.5。槽底板厚1.6m 砼灌砌石,設(shè)置4 道齒墻,齒墻斷面尺寸:3m 寬×2.5m 深。埋直徑￠100PVC@2.5m 排水孔,梅花型布置。泄槽左導(dǎo)墻,即束流堤,位于泄槽左側(cè),束流堤總長(zhǎng)71m,砼灌砌石結(jié)構(gòu),頂寬2.7m,底寬4.5m 的梯形斷面。上游端部為5.8m 半圓弧形裹頭,其頂▽947,漸變到下游▽944.5 與泄槽末端重力式阻水墻迎水面交匯;堤內(nèi)側(cè)砼護(hù)面,表面平順、光滑、糙率小、利于水流下泄。束流堤中段,即寬頂堰相對(duì)段,流線形變化,曲線凸向迎水面,泄槽寬縮窄至7.7m,構(gòu)成泄流泄沙槽段,以達(dá)到束水攻沙功效。通過(guò)這種縮窄入渠口門段泄槽并有意向進(jìn)水口方向外突,控制槽中水流呈微彎形,提高上游水位,增加下游沖擊能,保證寬頂堰扇形發(fā)散取水,同時(shí)不影響下層礫石順直下泄,實(shí)現(xiàn)取水排石功效。左導(dǎo)墻防護(hù)導(dǎo)墻緊鄰河槽,汛期易受洪水沖擊。在導(dǎo)墻末端增設(shè)砼灌砌石堤, 汛期自然形成回淤坨,有效保護(hù)導(dǎo)墻。泄槽右導(dǎo)墻,由1#堆石區(qū)、寬頂堰構(gòu)成。導(dǎo)墻上段,即Ⅰ#堆石區(qū), 是砼灌砌石包邊堆石體, 頂▽947.5, 寬29m,長(zhǎng)31m,似一錐形堆石體,發(fā)揮丁壩功能,既能防止來(lái)流對(duì)右岸山體坡腳沖刷又能引導(dǎo)來(lái)流入槽;下段由寬頂堰承擔(dān)導(dǎo)流墻,寬頂堰溢流面與泄槽底板最小高差2m,抑制推移質(zhì)隨入渠水流進(jìn)入明渠。⑵寬頂堰坎及砥流抑石墩。寬頂堰即明渠入口, 始于壩0-202.655,向下游延伸,總長(zhǎng)41.02m,為雙向坡形,從上游▽942m漸升至下游▽943.91,堰頂迎水面向內(nèi)流線形漸降低,跌坎高差由0.5m～1.6m 遞增; 寬頂堰靠上游側(cè)根據(jù)水躍后附近水沙作翻滾運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)增設(shè)重力式砥流抑石墩, 砥流抑石墩頂高▽945.5,底部隨寬頂堰坎過(guò)流面變接。砥流抑石墩為砼灌砌石體, 表面高強(qiáng)度水泥砂漿溝縫,面成流線型,主要目的抑制大石頭起跳,來(lái)流中挾帶推礫質(zhì)、懸移質(zhì)撞擊抑石墩后, 阻止其翻躍入明渠而下沉并隨泄槽高速水流下泄[1]。⑶重力式阻水墻。泄槽末端垂直于寬頂堰坎設(shè)置一道迎水面為直墻砼灌砌石重力式擋水墻,將泄槽高速水流上層水位壅高,進(jìn)一步保證寬頂堰取水; 墻體中部預(yù)留寬2m、高5m 口門?？陂T上游兩側(cè)分別增設(shè)與寬頂堰坎夾角為30 度,與束流堤夾角45 度的直面斜墻臺(tái), 其高2.5m,構(gòu)成喇叭形導(dǎo)流槽, 引導(dǎo)泄槽底部推移質(zhì)進(jìn)入口門,借助水力沖擊快速下泄。當(dāng)來(lái)流量≥55m3/s 時(shí), 拉砂口門不作任何干預(yù),寬頂堰均能正常取水,供2 臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電所需水量。當(dāng)來(lái)流量＜55m3/s 時(shí),人工干預(yù)拉沙口門,保證發(fā)電用水量。⑷Ⅱ#堆石區(qū)。Ⅱ#堆石區(qū)既是重力式阻水結(jié)構(gòu)右岸一部分,也是引水明渠左導(dǎo)墻的上半段,兼有連接跨渠貝雷橋左橋臺(tái),必須預(yù)防水漫溢過(guò)頂。如頂面過(guò)流,危及自身及橋臺(tái)安全,故對(duì)其邊沿增加灌砌石防護(hù),頂部增設(shè)砼擋水堤及漫水區(qū)固化。

4.4 永久明渠整治

明渠底板長(zhǎng)200 余米,分四區(qū)分別加以整治:Ⅰ區(qū) 攔石區(qū),壩0-202.655～壩0-145;Ⅱ區(qū)2%的緩坡段,壩0-145～壩0-82;Ⅲ區(qū)10%陡坡段, 壩0-28～壩0-82; Ⅳ區(qū)平段壩0±0.00～壩0-28,緊鄰進(jìn)水閘、沖沙閘(泄洪閘)。項(xiàng)目運(yùn)行首個(gè)汛期中,明渠底板受到推移質(zhì)毀滅性破壞:護(hù)面層全部被沖毀,建基面掏空,坑深2m 以上,馬蒂電站被迫停機(jī)。電站受到較大經(jīng)濟(jì)損失,也給總公司帶來(lái)負(fù)面影響。針對(duì)實(shí)際情況,擬定不同整治方案。重點(diǎn)在于減少汛期沙礫石進(jìn)入明渠,從而消除沙礫石堵塞進(jìn)水閘事件;增強(qiáng)明渠底板自身防沖耐磨性能, 防止其再次遭受礫石沖擊損毀無(wú)法發(fā)電現(xiàn)象重演。

Ⅰ區(qū):引水明渠首段,緊鄰泄槽。增設(shè)砼灌砌石攔石坎,攔石坎頂寬3m,底寬4.5m,高1.5m;池底板砼灌砌石,厚度1.5m。攔石容量2500m3,攔截入渠推移質(zhì)、降低流速,沉淀部分懸移質(zhì)。汛期及時(shí)清除池內(nèi)沙礫石,保持一定空間蓄納入渠沙礫石。

Ⅱ區(qū):該區(qū)段緊鄰攔石區(qū),下游與陡坡段相接,平均渠寬25m,該段承上啟下。底板建基面用砼灌砌石換填,構(gòu)成厚度1.6m 過(guò)流底板,表面礫石凹凸,增大糙率,減小水流速,降低挾帶推移質(zhì)滾動(dòng)速率, 減輕底板磨蝕。間隔20m 設(shè)置橫向齒墻, 斷面2.5m深×2m 寬,底板整體穩(wěn)定性高。

Ⅲ區(qū):該段坡陡,短時(shí)間提高流速,獲較大動(dòng)能,將推移質(zhì)、懸移質(zhì)沖移至平段沖沙閘門附近,開(kāi)閘后迅速?zèng)_排。將原沙礫石建基面換填成C30 砼灌砌石,厚度1.3m,并設(shè)置5 條橫向和2 條縱向齒槽,提高陡坡段整體穩(wěn)定性。齒槽結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為減少陡坡段表層糙率、增強(qiáng)抗耐磨性能,設(shè)45cm 厚C40 高強(qiáng)度防沖耐磨表面鋼筋混凝土,C40 砼配合比由尼泊爾特里布萬(wàn)大學(xué)設(shè)計(jì),澆筑中嚴(yán)格控制振搗及表面質(zhì)量。

圖1 齒槽結(jié)構(gòu)示意圖

Ⅳ區(qū)：該區(qū)段沖沙閘(泄洪閘)、進(jìn)水閘墩及墻面在第一個(gè)汛期被推移質(zhì)磨蝕部位加固補(bǔ)強(qiáng)。采用環(huán)氧基液涂抹,補(bǔ)澆高強(qiáng)度砼加固。遵循如下程序:①清理→鑿毛→沖洗→表面干燥→涂刷環(huán)氧基液→分段組立模板→澆筑C40 砼→養(yǎng)護(hù)。②鑿毛,清除已磨蝕砼表層,保證新澆砼包裹已有結(jié)構(gòu)鋼筋20cm 以上。③砼澆筑,分層厚度1m。環(huán)氧基液[2]均勻涂刷已處理老砼表面后,分層灌注砼。

4.5 地下水引排

明渠緊鄰右岸沙礫石山體,雨季山體坡面滲水量大,大量滲水從建基面溢出,為防止底板受揚(yáng)壓力頂托破壞,明渠底板埋￠150@1.5mPVC 排水管,梅花形布置,排水管底端頭用反濾土工布包裹嚴(yán)密,防沙填塞管身失去排水功能。

5 結(jié)論

首部樞紐經(jīng)過(guò)技改,完全達(dá)既定目標(biāo)。今年運(yùn)行效果明顯,再無(wú)推移質(zhì)損毀建筑物、堵塞閘門現(xiàn)象,汛期正常發(fā)電,全年發(fā)電總量創(chuàng)新高,是電站正常年度發(fā)電量峰值,統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 歷年發(fā)電量

技改關(guān)鍵事項(xiàng):控制引水明渠口門汛期進(jìn)流量，既保證發(fā)電用水量也防止過(guò)度進(jìn)流，確保汛期泄槽拉沙排石效果，提高明渠底板抗磨性能。