巴基斯坦卡洛特水電站1號(hào)渣場(chǎng)排洪設(shè)計(jì)

黃斌 方舒 仲康

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站1號(hào)渣場(chǎng)位于大壩左岸下游約550 m的吉拉姆河左岸6號(hào)沖溝溝口，臨河側(cè)渣腳位于河道洪水位以下，且棄渣占?jí)旱?號(hào)沖溝的匯水面積及洪峰流量均較大。為了保障1號(hào)渣場(chǎng)的順利堆渣和長(zhǎng)期運(yùn)行安全，需要解決6號(hào)沖溝的排洪安全問題。在查明1號(hào)渣場(chǎng)周邊的地形地質(zhì)和水文條件基礎(chǔ)上，對(duì)排洪布置方案進(jìn)行了比選，推薦沿左側(cè)坡面修建排洪溝方案。按照分段法推算排洪溝的沿程水面線，確定了排洪溝的縱斷面設(shè)計(jì)。結(jié)合排洪溝和堆渣體的關(guān)系，確定了排洪溝的進(jìn)出口及橫斷面設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該工程1號(hào)渣場(chǎng)排洪布置、設(shè)計(jì)方案可滿足渣場(chǎng)排洪需要。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)借鑒。

關(guān)鍵詞：渣場(chǎng);排洪設(shè)計(jì);分段法;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV22文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.025

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）11 - 0111 - 05

0 引 言

溝道型棄渣場(chǎng)一般指布置在天然河道、溝道內(nèi)，且渣體將天然河道、溝道全部或部分填埋的棄渣場(chǎng)[1]。趙芹等[2]根據(jù)棄渣堆放在溝道中的相對(duì)位置不同，將溝道型棄渣場(chǎng)分為攔溝型棄渣場(chǎng)、順溝型棄渣場(chǎng)和填溝型棄渣場(chǎng)。吳偉等[3]根據(jù)水電工程棄渣場(chǎng)的特點(diǎn)，提出了復(fù)合型棄渣場(chǎng)的概念。不論溝道型棄渣場(chǎng)類型如何，在棄渣堆置后全部或部分堵塞天然河道、溝道，影響過流能力，可能危及棄渣場(chǎng)上游的天然河道、溝道行洪安全[4]。

溝道型棄渣場(chǎng)集水面積大、洪峰流量大，合適的排水方案是確保渣場(chǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此，在棄渣前，通過布置安全有效、經(jīng)濟(jì)合理的排洪設(shè)施，將棄渣場(chǎng)擬占?jí)簠^(qū)上游的天然河道或溝道的來水安全導(dǎo)排至下游側(cè)的溝道或河道中，是溝道型棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。近年來，相關(guān)學(xué)者根據(jù)不同類型的溝道型棄渣場(chǎng)，提出了各種防護(hù)設(shè)計(jì)方案，主要包括修建排洪溝、排洪暗涵、排洪隧洞、明溝+暗涵的組合方案等[5-7]。巴基斯坦卡洛特水電站1號(hào)渣場(chǎng)位于吉拉姆河的一級(jí)支溝——6號(hào)沖溝溝口，棄渣堆存規(guī)模較大且為永久堆存，棄渣占?jí)翰⒆韪袅?號(hào)沖溝。1號(hào)渣場(chǎng)所在的6號(hào)沖溝上游匯水面積較大，堆渣坡腳下游即為吉拉姆河，且與對(duì)岸電站尾水出口的直線距離僅約130 m。棄渣場(chǎng)區(qū)年降水量達(dá)1 430 mm，降水集中、頻繁且常年有較穩(wěn)定的水流，若不能安全地將堆渣區(qū)上游6號(hào)沖溝的匯水排導(dǎo)至下游的吉拉姆河，蓄積的水流進(jìn)入渣體內(nèi)將增大渣體含水量，加速渣體中泥巖軟化，降低棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性，有可能推動(dòng)渣體進(jìn)入吉拉姆河堵塞河道形成堰塞湖，危及河道的行洪和主體工程的施工安全。

1 工程概況

卡洛特水電站壩址位于巴基斯坦旁遮普省與巴控克什米爾地區(qū)交界處的卡洛特橋上游1.0 km處，是巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆河規(guī)劃的5個(gè)梯級(jí)電站的第4級(jí)。該工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐，水庫正常蓄水位461.0 m，電站裝機(jī)容量72萬kW（720 MW），多年平均年發(fā)電量32.06 億kW·h。主體工程開挖及拆除總量1 381.81 萬m3（自然方，下同），棄渣總量1 023.24 萬m3，運(yùn)至1～4號(hào)存棄渣場(chǎng)集中堆存。其中，1號(hào)渣場(chǎng)占地面積15.37 hm2，規(guī)劃堆渣高程399.0～505.0 m，堆渣量約420 萬m3（松方）。1號(hào)渣場(chǎng)堆渣區(qū)以上6號(hào)沖溝匯流面積29.41 km2，按照推理公式計(jì)算，不同頻率下6號(hào)沖溝的洪峰流量見表1。

2 棄渣場(chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定

1號(hào)渣場(chǎng)的堆渣量約420 萬m3，最大堆渣高度106 m，渣場(chǎng)失事后主要影響堆渣坡腳的公路，對(duì)主體工程施工及運(yùn)行影響較小。根據(jù)GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，1號(hào)渣場(chǎng)的級(jí)別為2級(jí)，排洪工程級(jí)別為2級(jí)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50～100 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為100～200 a一遇。經(jīng)進(jìn)一步復(fù)核后確定，在采取了標(biāo)準(zhǔn)較高的攔渣堤（壩）、排洪溝、截排水溝和斜坡防護(hù)工程等綜合防護(hù)措施后，1號(hào)渣場(chǎng)整體垮塌的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。因此，從降低工程投資等因素考慮，在設(shè)計(jì)中將排洪溝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取下限，即采用50 a一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和100 a一遇校核標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)、校核洪峰流量分別為549 m3/s和622 m3/s。

3 排洪布置方案研究

1號(hào)渣場(chǎng)所在的6號(hào)沖溝匯水面積和洪峰流量均較大，可供選擇的排洪設(shè)施主要為排洪隧洞和排洪溝。1號(hào)渣場(chǎng)所在的6號(hào)沖溝溝口的兩側(cè)山體坡面均較陡峭，左側(cè)山體較厚實(shí)，右側(cè)有當(dāng)?shù)鼐用癯鲂械墓翻h(huán)繞，施工期間要保障居民通行。堆渣坡腳對(duì)岸為電站尾水出口，右側(cè)布置排洪設(shè)施，可能影響電站尾水排泄。棄渣堆具有一定高度，若在頂面布置排洪溝，則堆渣的前3 a不具備排洪能力。因此，排洪設(shè)施僅能沿左側(cè)布置，初步擬定了兩個(gè)排洪設(shè)施布置比選方案，即左側(cè)排洪隧洞方案和左側(cè)排洪溝方案。

3.1 方案一：左側(cè)排洪隧洞方案

沿左側(cè)山體開挖全長(zhǎng)654 m的隧洞，隧洞進(jìn)口底板高程456 m，出口底板高程399.0 m，平均縱坡8.72%。隧洞為城門洞型結(jié)構(gòu)，底寬8.0 m，高12.0 m，為全斷面C30鋼筋混凝土襯砌。隧洞出口接長(zhǎng)約35 m的明槽段順接入吉拉姆河。

3.2 方案二：左側(cè)排洪溝方案

沿左側(cè)天然坡面開挖一條全長(zhǎng)632 m的排洪溝，進(jìn)口溝底高程448.0 m，出口溝底高程386.08 m，平均縱坡9.80%;排洪溝為梯形斷面，底寬10.0～12.0 m，溝深5.0～6.5 m，邊坡1：0.5，采用C30鋼筋混凝土襯砌。

3.3 方案比選

排洪隧洞具有擾動(dòng)地表面積少、對(duì)棄渣活動(dòng)干擾少等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是在排洪隧洞完工前不能大量棄渣，且費(fèi)用相對(duì)較高。排洪溝線路相對(duì)較短，雖然開挖及擾動(dòng)地表面積較大，但其費(fèi)用相對(duì)較低，且可在施工的同時(shí)兼做導(dǎo)流設(shè)施，不影響工程棄渣。因此，從有利于工程施工和節(jié)省費(fèi)用方面考慮，推薦采用排洪溝布置方案。

4 排洪溝設(shè)計(jì)

4.1 水力計(jì)算

4.1.1 排洪溝基本計(jì)算參數(shù)

根據(jù)推薦的排洪溝布置方案，確定排洪溝平面布置如圖1所示，排洪溝基本參數(shù)詳見表2。

4.1.2 計(jì)算方法

（1）水面線推算。排洪溝為人工修建的鋼筋混凝土明溝，線路較長(zhǎng)。為計(jì)算沿線的斷面尺寸，需推先算排洪溝沿線的水面線。由于排洪溝進(jìn)口以上的6號(hào)沖溝為山區(qū)天然沖溝，排洪溝內(nèi)水流為非均勻流，可按照分段法推算水面線。主要公式如下：

[hi+V2i2g-hi+1+V2i+12gΔl=i-J] （1）

式中：hi，hi+1分別為斷面i、斷面i+1的水深，m;Vi，Vi+1分別為斷面i、斷面i+1的流速，m/s;[Δl]為流段長(zhǎng)度，m;[J]為流段的平均水力坡度，計(jì)算公式為

[J=V2n2R3/4] （2）

其中

[V=Vi+Vi+12] （3）

[R=Ri+Ri+12] （4）

式中：n為糙率，緩坡段取0.014，陡坡段采用雙人字形消能工加糙，計(jì)算公式為

[n=（a-cα+dβ）Si]

式中：a，c，d為粗糙種類常數(shù)，分別取0.116 1，0.006 1，-0.001 2;α為相對(duì)光滑度，α=h/δ，h為糙條上水深，δ為糙條高度，δ取0.45 m;β為相對(duì)寬度，β=b/h，b為溝底寬;Si為底坡修正系數(shù)，溝底縱坡20%，取1.0。

（2）進(jìn)口臨界水深。排洪溝進(jìn)口臨界水深計(jì)算公式為

[hk=αq2g3]? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：q為單寬流量，可通過q=vh計(jì)算得到;[α]為動(dòng)能修正系數(shù)，近似取1.0。

（3）摻氣水深計(jì)算。摻氣水深計(jì)算公式為

[hb=（1+V/100）h]? ? （6）

式中：h為不計(jì)入摻氣影響的水深，m;V為計(jì)算斷面流速，m/s。

（4）彎道超高計(jì)算。彎道段彎道超高計(jì)算公式：

[Δh=KV2Bgrc] （7）

式中：Δh為由彎道離心力及急流沖擊波共同作用形成的外墻水面與中心線水面的高差，m;K為超高系數(shù)，梯形取1.0; rc為彎道軸線半徑，m;B為水面寬度，m。

4.1.3 計(jì)算結(jié)果及分析

（1）緩坡段。緩坡段溝道包括坡度為1%的溝道，即樁號(hào)K0+023至K0+294.42。首先，分別通過明渠均勻流公式和臨界水深公式計(jì)算，可得正常水深為3.63 m，臨界水深為6.04 m。由于正常水深小于臨界水深，因此可以定性的判斷渠道內(nèi)的水流為急流。由于排洪溝上游坡度為0，即可將排洪溝入口處（樁號(hào)K0+023）視為臨界水深，即設(shè)計(jì)工況6.04 m。確定入口水深后，可根據(jù)水面線推算公式，推算緩坡段內(nèi)的水面線，具體見表3。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)工況下，除第一斷面水深為6.04 m外，其余斷面均在6.00 m以下，因此緩坡段彎道溝深確定為6.00 m，直線段溝深為5.00 m。

（2）陡坡段。陡坡段樁號(hào)K0+294.42至K0+631.63，水面線推算見表4。從經(jīng)濟(jì)、安全和便于施工考慮，陡坡段溝深確定為5.50 m。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 縱斷面設(shè)計(jì)

排洪溝全長(zhǎng)631.63 m，其中樁號(hào)K0+000至K0+294.42段為緩坡段，溝底縱坡1%。樁號(hào)K0+294.42至K0+331.64為過渡段，溝底縱坡由1%漸變至20%。樁號(hào)K0+331.64至K0+592.98為陡坡段，溝底縱坡20%;樁號(hào)K0+592.98至K0+631.63為過渡段，溝底縱坡由20%漸變?yōu)?，出口接吉拉姆河。

4.2.2 橫斷面設(shè)計(jì)

排洪溝為梯形斷面，溝底寬度10.0～12.0 m，兩側(cè)邊坡1：0.5，溝深5.0～6.5 m;根據(jù)沿線構(gòu)筑物及擋渣等需要，采用貼坡式襯砌和重力式擋墻結(jié)構(gòu)。底板厚度0.6～0.8 m，采用C30鋼筋混凝土襯砌。典型橫斷面如圖2所示。

4.2.3 邊坡開挖及支護(hù)

4.2.3.1 開挖

排洪溝開挖坡比覆蓋層一般1∶1～1∶1.5，強(qiáng)風(fēng)化開挖坡比一般為1∶0.5～1∶1，弱風(fēng)化及以下開挖坡比1∶0.5，覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化開挖坡比可根據(jù)地質(zhì)條件適當(dāng)調(diào)整。

4.2.3.2 邊坡支護(hù)

（1）樁號(hào)K0+320至K0+360之間邊坡。對(duì)高程475.0 m以上的土質(zhì)邊坡，在按1∶1.5開挖后，采取L=6.0 m的美標(biāo)9號(hào)錨桿支護(hù)，對(duì)高程467.0～475.0 m之間的邊坡，按1∶1.2～1∶1.8開挖后，采取L=6.0 m的美標(biāo)9號(hào)和L=9.0 m的美標(biāo)10號(hào)錨桿支護(hù)，間排距均為2.0 m。對(duì)高程457.0～467.0 m之間的邊坡，清除坡面松散的浮渣，清理后壓實(shí)坡面。在高程457.0 m馬道擋墻后及以上坡面回填石渣料，最大粒徑小于30 cm，單層厚度小于40 cm，分層夯實(shí)壓實(shí)度不小于0.93，回填后邊坡1∶1.8。石渣料回填完工后，采取L=6.0 m的美標(biāo)9號(hào)錨桿支護(hù)，間排距均為2.0 m。對(duì)高程457.0 m以下的邊坡，采取L=4.5 m的美標(biāo)8號(hào)錨桿支護(hù)，間排距均為2.0 m。上述邊坡錨桿安裝完成后，設(shè)間排距均為3.0 m、深度為2.0 m的排水孔。在錨桿及排水孔完工后，掛網(wǎng)噴10 cm厚的C20混凝土保護(hù)。開挖支護(hù)如圖3所示。

（2）其他邊坡。其他邊坡開挖成型后，采取L=4.5 m的美標(biāo)8號(hào)錨桿支護(hù)，間排距均為2.0 m。邊坡設(shè)間排距均為3.0 m、深度為2.0 m的排水孔。在錨桿及排水孔完工后，掛網(wǎng)噴10 cm厚的C20混凝土保護(hù)。

4.2.4 坡頂截排水溝

（1） 截水溝。在開挖前，擬在坡頂修建截水溝，分為A型截水溝和B型截水溝。其中，A型截水溝位于排洪溝左側(cè)開挖坡頂上方，全長(zhǎng)約630 m，為矩形斷面，寬0.5 m，深0.5 m，溝底縱坡與原坡面一致，采用30 cm厚M7.5漿砌石砌筑，過水面采用2 cm厚M10水泥砂漿抹面。B型截水溝位于排洪溝樁號(hào)K0+234至K0+271之間左側(cè)開挖坡頂上方（與天然沖溝相交處），全長(zhǎng)37 m，為矩形斷面，寬2.0 m，深1.0 m，溝底縱坡與原坡面一致，采用50 cm厚M7.5漿砌石砌筑，過水面采用5 cm厚的M10水泥砂漿抹面。

（2） 排水溝。根據(jù)排洪溝沿線地形條件，在坡面修建2條坡面排水溝，即A型排水溝和B型排水溝。其中，A型排水溝位于排洪溝樁號(hào)K0+270左側(cè)坡面，全長(zhǎng)20.0 m，為梯形斷面，底寬0.8 m，溝深1.0 m，邊坡1：0.5，溝底縱坡與原坡面一致，采用30 cm厚C25混凝土襯砌。B型排水溝位于排洪溝樁號(hào)K0+500左側(cè)坡面，全長(zhǎng)11.0 m，為矩形斷面，寬0.6 m，深0.4 m，沿坡面開挖而成，過水面掛網(wǎng)并噴10 cm厚C20混凝土，表面抹2 cm厚的M10水泥砂漿。

（3）調(diào)節(jié)池。在截排水溝交匯處各布置1處調(diào)節(jié)池。其中，排洪溝樁號(hào)K0+270處調(diào)節(jié)池長(zhǎng)4.0 m，寬3.0 m，深2.0 m，采用C30混凝土襯砌。排洪溝樁號(hào)K0+500處調(diào)節(jié)池長(zhǎng)2.0 m，寬2.0 m，深1.5 m，采用C20混凝土襯砌。

5 結(jié) 論

通過對(duì)卡洛特水電站1號(hào)渣場(chǎng)的排洪布置及設(shè)計(jì)方案研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）對(duì)于大流量溝道型棄渣場(chǎng)，可通過多角度論證分析確定其防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)棄渣場(chǎng)穩(wěn)定安全對(duì)周邊的影響，適當(dāng)選取規(guī)范值，以此降低排洪工程規(guī)模，節(jié)省工程投資。

（2）鑒于棄渣場(chǎng)一般為永久堆存，后期難以全面、系統(tǒng)地運(yùn)行管護(hù)，一旦發(fā)生淤堵和損壞，排洪隧洞、暗涵等難以得到及時(shí)修復(fù)，可能會(huì)造成水土流失甚至是安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于大流量的溝道型棄渣場(chǎng)，建議優(yōu)先采用開挖山體修建明溝的排洪型式。其次，要移交棄渣場(chǎng)管理責(zé)任，明確棄渣場(chǎng)管護(hù)制度，落實(shí)責(zé)任人和維護(hù)經(jīng)費(fèi)，保障棄渣場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行安全。

（3）在分段推求水面線的基礎(chǔ)上，通過分析確定排洪溝的橫斷面，可優(yōu)化排洪溝設(shè)計(jì)，在保障安全排水的基礎(chǔ)上控制開挖擾動(dòng)范圍。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供借鑒。

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（編輯：李 慧）

Flood discharge design for No.1 spoil disposal yard of Karot

Hydropower Station in Pakistan

HUANG Bin， FANG Shu， ZHONG Kang

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

Abstract： No.1 spoil disposal yard of Karot Hydropower Station is located at the outlet of No.6 gully on the left bank of the Jhelum River， about 550 m downstream from the dam. The spoil piling toe by the riverside is below the flood level of the river， and the catchment area and peak flow of No.6 gully occupied by the spoil yard are large. In order to ensure the smooth slag stacking and long-term operation safety of No.1 spoil disposal yard， it is necessary to solve the flood discharge problem of No.6 gully. Through the survey of the topographical， geological and hydrological conditions around No.1 spoil disposal yard， this paper compared and selected the flood discharge layout schemes， and recommended to build flood discharge channel along the left slope. The water profile along the flood discharge channel was calculated according to the subsection method and the longitudinal profile of the flood discharge channel was determined. By considering the relationship between the flood discharge channel and the slag body， the design of the inlet， outlet and cross section of the flood discharge channel was determined. The proposed flood discharge layout and design scheme met the flood discharge requirement of No.1 spoil disposal yard and can be used as reference for the design of similar spoil disposal yards.

Key words：spoil disposal yard; flood discharge design; subsection method; Karot Hydropower Station; Pakistan