巴基斯坦汗华水电站工程大坝设计

2015-12-17郭西方李淑红李娅

水利水电工程设计 2015年2期

郭西方李淑红李娅

巴基斯坦汗华水电站工程大坝设计

郭西方李淑红李娅

汗华水电站是巴基斯坦一项高水头、长隧洞的引水式水电站工程，大坝坝高49 m，为混凝土重力坝，共设左右岸坡坝段、底孔坝段和表孔坝段等5个坝段。大坝设置4个底孔、1个表孔，液压启闭机控制闸门，过流面分别采用钢板或抗冲磨混凝土防护措施，下游采用逆坡消力池底流消能。

混凝土重力坝逆坡消力池抗冲磨设计汗华水电站工程

汗华水电站工程位于巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省（原西北边境省）Indus Swat区，工程由混凝土重力坝、引水系统、调压井、发电厂房、尾水建筑物和开关站等组成，主要任务为发电，是一项高水头、长隧洞的引水式电站工程。坝址以上流域面积673 km2。大坝位于印度河右岸支流Khan Khwar河上，最大坝高49.0 m，坝顶长106.1 m，坝顶高程829.0 m；水库最高运行水位825.0 m，总库容约105万m3，有效库容40万m3；引水系统包括引水隧洞、压力竖井和压力隧洞，总长5 144 m，内径为3.85～3.00 m，设计引水流量35 m3/s；厂房位于印度河右岸Besham镇附近，采用地下水轮发电机竖井和地面主副厂房相结合的半地下式结构型式，安装2台34.25 MW的立轴混流式发电机组和1台3.65 MW的冲击式辅助发电机组，总装机容量72.15 MW，设计发电总水头254 m。

大坝共设5个坝段，河床中间布置表孔坝段，两侧各布置1个底孔坝段，通过岸坡坝段与左右岸坝肩连接。电站进水口采用岸塔式，布置于紧靠大坝的上游右岸。表孔坝段长18.0 m，底孔坝段长21.0 m，左、右岸岸坡坝段长22.4 m和23.7 m。平面布置见图1。

1 坝址工程地质

图1 大坝平面布置图（单位：m）

坝址区河谷狭窄曲折，流向NE55°，呈不对称V形，谷底宽70～75 m，主河道宽约20 m，河床高程约800 m。坝址处河道天然坡度大于2%，两岸山体高耸，边坡陡立。

坝线附近出露地层为第四系漫滩相冲积砂卵砾石层和坡积碎石土组成的松散堆积覆盖层及Karora组岩层，没有大的活动断层，地下水情况正常。Karora组地层岩性以云母片岩和石墨千枚岩为主，河床上部及两岸出露的基岩岩性为石英云母片岩；石墨千枚岩分布位置较深，KD7号孔垂直埋藏深度约24 m。河床部位主要分布冲积砂卵砾石层，坡积碎石土仅分布在右岸，厚度一般为2～5 m，均可予以挖除，混凝土重力坝可直接坐落于基岩上。

坝线两岸基岩裸露，片理产状近南北向，发育裂隙主要有NW组、NE组，倾角一般大于40°，未发现不利结构面组合，初步判断边坡整体稳定性较好。

2 大坝结构布置

2.1 表孔坝段设计

表孔主要承担泄洪、排污任务，布置于河床中部。表孔坝段长18.0 m，设1孔净宽13.0 m的开敞式溢流表孔，两侧边墩厚度均为2.5 m，墩头采用半径为2.0 m圆弧曲线，堰顶高程为813.0 m。表孔堰顶上游段堰面曲线为两段圆弧，与上游铅直面相接，其半径分别为2.2 m和5.5 m。下游段堰面采用WES曲线（方程为y＝0.065 13x1.85），下接坡度为1∶1.1的斜坡段，其后反弧段半径为20.0 m，后接坡度为1∶15的逆坡式消力池。

表孔坝段上游面采用折面，高程795.0 m平台至808.5 m采用坡度为1∶0.2的斜面，高程808.5 m至上部溢流面圆弧段为铅直面。溢流孔口上部设宽为10.8 m的坝顶交通桥，桥面高程829.0 m。表孔堰顶设带舌瓣门的弧形钢闸门（13 m×12 m，宽×高）和叠梁检修闸门各1道，叠梁检修闸门由坝顶单向门机启闭；弧形闸门及其上的舌瓣门由2台液压启闭机各自操控。库水位为825.0 m时，表孔泄流量为1 091 m3/s。

2.2 底孔坝段设计

底孔主要承担泄洪、排沙任务。2个底孔坝段对称布置于表孔坝段两侧，均长21.0 m，每个坝段布置2孔，共4孔，孔口尺寸6 m×7 m（宽×高），中墩厚3.5 m，靠表孔侧边墩厚2.5 m，靠岸坡坝段侧边墩厚3.0 m。底孔进口底坎高程801.0 m，高于原河床约1.0 m，低于电站进水口8.0 m，以利于冲排水库近坝的淤积泥沙，维持有效库容，形成冲沙漏斗，实现电站进水口的门前清。

底孔采用压力短管式布置，进口顶部采用椭圆曲线，其方程为x2/7.82+y2/2.62＝1，侧面亦采用椭圆曲线，方程为x2/2.252+y2/1.52＝1，下缘采用圆弧曲线，半径为2.0 m。孔口顶部压坡段以不产生负压为原则，坡度取1∶4。底孔底部自上游至下游依次为圆弧段、水平段、抛物线段（方程为y＝0.010 4x2）、斜坡段（坡度为1∶1.8）和反弧段（半径20.0 m），后接坡度为1∶15的逆坡式消力池。

底孔坝段上游面采用折面，折坡点高程801.0 m，斜面坡比1∶0.2，与表孔坝段上游面相协调，上部为铅直面。坝顶高程829.0 m，宽10.8 m。底孔设弧形钢闸门和叠梁检修闸门各1道，叠梁检修闸门由坝顶单向门机启闭，弧形钢闸门由摇摆式液压启闭机控制，启闭机安装在闸门上部820.5 m的操作平台上。库水位为825.0 m时，单个底孔泄流量为674 m3/s，4个底孔泄流量为2 696 m3/s，与表孔联合运用，可满足工程运行要求。

2.3 岸坡坝段设计

2个岸坡坝段均布置在底孔坝段外侧，左岸坝段坝顶长22.4 m，右岸坝段坝顶长23.7 m，坝顶宽16.0 m。岸坡坝段均设置叠梁检修闸门库和楼梯井。

3 大坝设计特点

3.1 洪水标准及设计要求

根据汗华水电站工程的水库总库容和电站装机容量指标，按照国内规范，相当于三等中型工程，其主要建筑物的级别为3级，设计洪水重现期为50～100年（P＝2%～1%），校核洪水重现期为500～1 000年（P＝0.2%～0.1%）；如洪水漫顶将造成极严重的损失时，1级（非2、3级）建筑物的校核洪水标准，经过专门论证并报主管部门批准，可取可能最大洪水（PMF）或重现期10 000年。

根据合同要求，汗华水电站工程大坝正常运行洪水重现期为100年（P＝1%），流量为2 667 m3/s；非常运行为1 000年（P＝0.1%），洪峰流量为3 750 m3/s；极端运行工况为10 000年（P＝0.01%），洪峰流量为4 900 m3/s。对比国内规范要求，汗华工程的洪水标准为同档中最高或超高。

本工程的设计要求为：在最高运行水位825.0 m时，表孔和底孔的闸门全部开启，能安全下泄1 000年一遇洪水；1个表孔或1个底孔的闸门发生事故不能正常开启时，能安全下泄100年一遇洪水；遭遇10 000年一遇洪水时，4个底孔闸门全部不能开启，此时允许表孔闸门毁坏和洪水漫顶，但仍需保证大坝稳定。

3.2 大坝稳定安全分析

3.2.1 大坝稳定安全计算工况

根据SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定，作用在重力坝上的荷载分为基本荷载和特殊荷载，根据各种荷载同时作用的实际可能性，分为基本组合和特殊组合，各选择其中的最不利的荷载组合来确定计算工况。

根据标书要求，本工程除满足上述荷载的正常运行（即基本组合）和非常运行（即特殊组合）的大坝稳定安全要求外，还需满足极端运行工况的大坝稳定安全要求，即遭遇10 000年一遇洪水工况和最大设计地震（MDE）工况。

3.2.2 大坝稳定安全系数要求

根据规范SL 319—2005规定，3级大坝的稳定安全系数基本组合为1.05，特殊组合(1)和(2)为1.00。

根据标书要求，本工程大坝正常运行工况的稳定安全系数为1.5，非常运行工况为1.3，极端运行工况为1.0。故大坝稳定安全系数超出国内规范规定。

3.2.3 大坝稳定安全分析

根据坝址处的地质条件和建基高程，详细设计阶段坝基摩擦系数取0.60，大坝体形设计和稳定分析报告获得了咨询工程师的批准。施工图设计时，特别是2005年10月南亚7.6级大地震后，咨询工程师认为标书确定的工程运行基本地震加速度（OBE）即0.15g及最大设计地震加速度（MDE）即0.25g偏小，为确保工程运行安全，结合补充地质勘察试验成果，坝基摩擦系数确定为0.45。

为达到标书规定的各运行工况下的稳定安全系数，对坝体体形作了较大修改，坝踵建基高程由786.0 m深挖至780.0 m，坝趾建基高程根据表孔和底孔过流面结构要求，保持783.0 m高程不变，形成一倾向上游的潜在滑动面，利用上游水重和坝体自重在倾斜滑动面上的抗滑分力，来平衡水压力对坝体产生的部分滑动分力。为便于坝踵基础开挖施工，利用上游水重增加坝体抗滑稳定，在坝前795.0 m高程形成宽12.6 m平台。经此体形修改后，基本满足标书规定的稳定安全系数要求。

3.3 下游消能工设计

根据坝址处的地质条件，本工程采用底流消能方式，经计算，池底高程为789.0 m的平底消力池，自由水跃长度达95 m，池长需76 m。因受消力池段地形限制，需缩短消力池长度才能满足布置要求，招标阶段建议采用逆坡消力池。根据有关资料，逆坡消力池可有效减小跃后水深，缩短水跃长度，从而缩短消力池长度，满足布置要求，同时节省投资，因此最终采用逆坡消力池。

消力池宽度为54.0 m，池底最低高程为789.0 m，尾坎顶高程为796.0 m，最大池深为7.0 m，逆坡坡度为1∶15即i＝0.067，尾坎为1∶1.5逆坡式挑流鼻坎，以便于排除池内泥沙。计算结果为：逆坡水跃长度84 m，消力池池长为59～67 m；根据水工模型试验成果，消力池池长为60 m。为防止出池水流冲淘消力池底板，尾坎下设置一深4.0 m的齿墙。

为满足抗浮稳定要求，消力池底板采取加大底板分块尺寸、增加底板厚度、设置抗浮锚筋、基岩面设置纵横向排水暗沟、块间与边墙均设置抗剪键槽等综合措施。消力池底板纵向分成3块，长度分别为21.0、21.0、17.8 m，横向宽20.0 m；首块底板加厚到4.0 m，并设置间排距1.5 m锚入岩体4.7 m的200 kN锚筋，后2块厚度为3.0 m，设置间排距2.0 m锚入岩体3.1 m的200 kN锚筋，锚筋交错伸入底板抗冲磨层混凝土中，并与顶层钢筋网焊接，以使底板混凝土与下部岩体共同抵抗浮力的作用；底板下基岩面布置间距10.0 m的10道横向和2道纵向排水暗沟，经预埋管道排入坝体集水井。

3.4 抗冲磨设计

在库水位825.00 m正常泄洪时，底孔压力短管出口流速约为16.0 m/s，反弧段最大流速约为23.5 m/s；表孔反弧段最大流速约为24.0 m/s。本工程坝址处汛期水流泥沙含量较高，泄流时高速水流携带的泥沙和（或）灌木树枝等污物冲磨溢流面，撞击消力池尾坎。为保证工程的正常安全运行，减轻泥沙的磨蚀危害，对表孔、底孔溢流堰面及消力池底板顶面、侧面和尾坎进行抗冲磨防护。根据泥沙种类、含量、流速和部位等要素的不同，对泄水建筑物过流面分别采取钢板衬护和浇筑抗冲磨混凝土等防护措施。

表孔过流面、消力池底板及边墙表层（高程796.00 m以下）等部位采用E级特别高强耐磨混凝土，其主要控制指标为：28 d圆柱体特性抗压强度为50 MPa，额定最大骨料粒径为25 mm，水灰比不大于0.4，28 d抗冲磨强度为1.2～1.5 h/（kg· m2）。表孔过流面一期混凝土预留台阶，为防止二期抗冲磨混凝土发生应力集中，对台阶尖角做削角处理，抗冲磨混凝土厚度不小于0.6 m，堰顶部位和反弧段厚度不小于0.8 m，消力池底板及边墙表层抗冲磨混凝土厚度为0.6 m。对表孔过流面可采用滑模施工。

底孔作为主要的泄流排沙建筑物，为减轻大粒径漂石撞击造成的危害，底孔孔口底部表面及侧壁下部、闸门后堰面表面、消力池尾坎表面均采用钢板衬护。钢板采用Q235B结构钢，厚度为30 mm，设有钢肋板及槽钢支撑，以加强钢板刚度，防止钢板在吊装、回填二期混凝土及灌浆施工过程中产生的有害变形，槽钢与一期混凝土中的预留锚板焊接。为方便施工，一期混凝土预留台阶与钢板间预留约为0.8 m的高度。施工顺序为，先安装侧壁钢板，焊接完成后再安装底部钢板。底部钢板适当部位预留直径分别为0.5 m的进人口、0.2 m的混凝土浇注孔及0.025 m的灌浆孔，待浇完二期混凝土后用环氧混凝土回填找平，再用钢板焊平磨光。