巴基斯坦卡洛特水电站溢洪道设计

崔玉柱 曹艳辉 杨晓红 张超

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站具有泄量大、泥沙问题突出、地震烈度高、地质条件复杂等典型特点。结合工程区地形地质条件，溢洪道布置在右岸河湾地块，主要由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及下游消能区组成，其中控制段包括2个有压泄洪排沙孔和6个泄洪表孔。主要介绍了卡洛特水电站溢洪道布置、水力设计、模型试验和结构设计等方面的设计成果，论述了溢洪道设计的合理性，可为工程建设提供科学依据。

关键词：溢洪道;泄洪消能;消能防冲;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV651.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.008

卡洛特水电站工程区地震烈度高，依据NB35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[1]进行划分，其基本烈度为8度，溢洪道设计地震加速度代表值为0.26 g，建基面抗滑稳定复核地震加速度代表值为0.31 g。卡洛特工程洪水峰高量大，校核洪水标准为5 000 a一遇，相应洪峰流量为29 600 m3/s，设计洪水标准为500 a一遇，相应洪峰流量为20 700 m3/s。消能防冲洪水标准为50 a一遇，相应洪峰流量为12 200 m3/s，最大泄洪落差51.25 m。溢洪道建基岩体质量类别均属ⅢC～Ⅳc类，岩性软弱，具微弱透水性，防渗条件较好。微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层抗冲能力差，地基地质条件差，应采取防冲刷措施。按GB 50201-2014《防洪标准》[2]，卡洛特水电站工程为Ⅱ等大（2）型工程，大坝、溢洪道、引水发电建筑物等主要永久性水工建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物，主要和次要水工建筑物结构安全级别均为Ⅱ级。本文主要介绍溢洪道布置、水力设计、模型试验和结构设计等方面的设计成果。

1 溢洪道布置

1.1 布置原則

卡洛特水电站溢洪道具有泄量大、水库泥沙淤积问题突出、地震烈度高、地质条件复杂等特点。根据工程的泄洪规模和枢纽布置特点，结合工程区的地形、地质条件，水文特性、水库调度特点，拟定泄洪消能建筑物布置原则如下：

（1）工程水库库容相对较小、无防洪库容，调节能力小，枢纽泄洪频繁，泄洪建筑物需运行灵活，安全可靠，选择泄洪设施规模宜在国内外已有工程范围内;在满足排沙要求的基础上，尽量选用超泄能力强的表孔。

（2） 卡洛特水库库容小，库沙比约为5∶1，泥沙淤积问题较突出，为集中水流拉沙，需设置规模适当的较低高程排沙洞或排沙孔口，并尽量集中布置在电站进水口附近，确保进水口“门前清”。

（3） 确保大坝安全和两侧河岸稳定的前提下，合理调配孔口开启方式，充分利用水垫厚度，综合考虑岩石的抗冲能力，合理确定消能区防护规模。

根据上述原则确定卡洛特水电站溢洪道进口布置在河湾地块上游段的右岸，穿越河湾地段后，下游出口位于“S”型河湾的尾部，呈近SEE向，溢洪道轴线与下游河道夹角约为35°。溢洪道轴线选择弧线接直线型式，圆弧段位于进水渠内，直线段长度624.8 m，溢洪道轴线总长795.3 m，溢洪道布置见图1。溢洪道建筑物为2级建筑物，由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及下游消能区组成。

1.2 进水渠

溢洪道进水渠轴线采用弧线接直线型式，弧线半径为500 m，夹角19.38°，弧线长度170.5 m，直线长度80 m，总长250.5 m。进水渠大部分渠底高程为431.00 m，泄洪排沙孔前局部渠底高程降低为423.00 m。进水渠进口为非对称喇叭形，底宽在顺水流方向逐渐收缩，至控制段前与溢流前缘等宽。进水渠首端底宽约370 m，末端底宽150.4 m。首末端底宽之比约2.5∶1，进水渠内堰前控制断面在设计洪水工况下其断面平均流速约3 m/s，校核洪水工况下平均流速约4 m/s。

1.3 控制段

溢洪道控制段共设12个坝段，由8个溢流坝段和4个非溢流坝段组成，坝顶长度218 m。控制段3～10号坝段为溢流坝段，溢流坝段3号坝段宽19.80 m，4号坝段宽23.70 m，5～9号坝段宽度均为19.00 m，10号坝段宽21.50 m。溢流坝段总宽160.00 m，共布置2个有压泄洪排沙孔和6个泄洪表孔。溢流坝段上游坝面为铅直面，顺水流向长度53.38 m。控制段如图2所示。

3号和4号坝段集中布置泄洪排沙孔，排沙孔进口底板高程为423.00 m，孔口尺寸为9 m×10 m（宽×高），两个泄洪排沙孔之间隔墙厚6 m，隔墙中部设置横缝。每个泄洪排沙孔设平面事故检修门槽和弧形工作门各一道，平面事故检修门由坝顶门机启闭，弧线工作门由布置于坝内弧门启闭机房的液压启闭机启闭。泄洪排沙孔采用有压短管进口，进口型式为喇叭型。表孔布置在5～10号坝段，表孔堰顶高程439.00 m，孔口尺寸为14 m×22 m（宽×高）。采用孔中分缝型式，每个表孔中设平面事故检修门槽和弧形工作门各一道，坝顶上游侧设门机大梁，下游侧设弧形工作门启闭机房。表孔坝段底部建基面高程417.00～425.00 m。表孔左边墩厚4.7m，中墩厚5m，右边墩厚4.5 m。表孔左边墩位于2号泄洪排沙孔坝段，与泄洪排沙孔共用闸墩。

溢流坝段左侧设1，2号非溢流坝段，右侧设11，12号非溢流坝段。非溢流坝段基本断面均为三角形，上游面铅直，下游坝坡1∶0.9。

1.4 泄槽

泄槽轴线采用直线，与控制段坝轴线垂直，泄槽底板纵坡i=4.5%。泄槽由中隔墙分为4个区，即2个泄洪排沙孔为一个泄洪区、6个表孔每2个孔为一个泄洪区。泄洪排沙孔泄洪宽度为24.7 m，表孔区的泄洪宽度从左至右依次为35.0，35.0 m和34 m，总泄洪宽度129.7 m。为适应天然地形地质条件，挑流鼻坎在平面上采用差动式布置，泄洪排沙孔区和表孔左区平齐，其他相邻两区平面差动距离均为20 m。泄槽段4个区从左至右轴线长度依次为258.43，258.43，278.43 m和298.43 m。泄槽横断面为矩形，左边墙高11.5～14.5 m，厚1.2m;中隔墙和右边墙高12.7～15.4 m，最大厚度3 m。泄槽底板纵横向分缝，纵缝间距一般为10 m，横缝间距11～12.75 m。

为降低泄槽底板的扬压力，泄槽左、右边墙底部以及挑流鼻坎底部均布置排水廊道，同上游控制段内的基础灌浆排水廊道贯通，廊道尺寸均为2.5m×3m，通过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缝处均设相互连通的纵横向透水软管与泄槽左、右边墙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础渗水均通过排水廊道汇集于表孔泄槽右区挑流鼻坎下部的集水井内，通过水泵将水抽至下游。

1.5 挑流鼻坎

溢洪道采用挑流消能，与泄槽分区相对应，分为4个挑流鼻坎，表孔右区挑流鼻坎采用连续式，反弧半径60 m，挑角30°;泄洪排沙孔區、表孔左区及表孔中区挑流鼻坎采用扭鼻坎型式。从左至右挑流鼻坎坎顶高程依次为414.10～418.95 m、418.95～414.10 m、418.05～413.20 m和417.15 m。各分区挑流鼻坎段基础开挖高程均为404.50 m。

根据泄槽底板封闭抽排布置需要，挑流鼻坎段内设横向排水廊道与泄槽左、右边墙内的纵向排水廊道相接。为排除整个封闭抽排系统的渗水，在表孔右区内横向排水廊道下游布置集水井，集水井底板高程395.50 m，底部建基面高程为394.75 m，净空尺寸为4.5 m×8 m ×8 m（长×宽×高），集水井上部抽水泵房底板高程404.75 m，净空尺寸为10.4 m×8 m×4.5 m（长×宽×高）。

1.6 下游消能区

由于溢洪道挑流鼻坎段建基面位于陡崖处，在溢洪道中心线上，溢洪道挑流鼻坎段距下游主河道约180 m，为与下游主河道顺畅衔接，溢洪道出口下游消能区采用预挖型式。挑流鼻坎末端基础开挖高程404.50 m，向下游按1∶0.7开挖至消能区防淘墙顶高程381.00～387.00 m，在高程391.50 m处设置宽3 m马道。

消能区工程防护措施采用护岸不护底型式。对消能区左岸边坡、挑流鼻坎基础下部开挖边坡，以及右岸边坡高程420.00 m以下长150 m范围内的开挖边坡采用2 m厚C25钢筋混凝土进行保护。为避免泄洪时水流淘刷岸坡坡脚，结合水工模型试验不同工况下下游消能区的冲刷情况，确定对消能区混凝土护坡范围内的岸坡坡脚采用厚3m的C20混凝土防淘墙进行防淘刷保护。

2 溢洪道水力设计

2.1 泄流能力计算及调洪演算

泄洪表孔采用开敞式溢流堰，堰顶下游采用WES幂曲线，堰顶上游采用椭圆曲线。泄洪排沙孔采用有压短管接明流的无压坝身泄洪孔型式。进口型式为喇叭形，其孔顶和两侧均采用椭圆型曲线。泄洪排沙孔进口段后紧接平板事故检修门槽段和1∶4.5压坡段，压坡段出口端孔口尺寸为9 m×10 m，后接弧形工作门，弧形工作门后为明流段。根据溢洪道设计规范[3]，表孔、泄洪排沙孔泄流能力计算成果见表1。考虑水库调蓄作用，卡洛特水电站的调洪演算成果见表2。表孔和泄洪排沙孔最大单宽流量均居世界同类工程前列。

2.2 水库放空计算

根据水文资料，卡洛特大坝坝址区枯水期月份为10月至次年2月，因此正常情况下水库放空从10月开始。放空期间水库来水量按10 a一遇月平均流量进行计算。考虑到卡洛特工程为日调节水库，为避免放空时水库库水位骤降带来的库岸稳定和大坝稳定问题，按照1 d内库水位降低不超过5 m控制下泄，电站机组过流和泄洪排沙孔过流即可满足下泄流量要求。

根据计算，水库放空从10月初开始，起始水位为461 m，库水位由461 m降至死水位451 m时，由电站单独过流放空，放空时间为2 d;库水位降至死水位451 m后，电站停机过流，由泄洪排沙孔单独过流，直至水库放空。放空期间入库流量取10 a一遇月平均流量462 m3/s，在库水位429 m时，来流量大于泄洪排沙孔敞泄泄量，因此水库水位最低放空至水位430 m。水库由死水位451 m放空至430 m的时间约5 d。按10 a一遇来水考虑，从10月上旬至第二年2月底，库水位均可维持在431 m以下，此时水库剩余库容约0.38亿m3，水面以上坝高为38.5 m，因此，大坝具备放空检修条件。

2.3 消能防冲水力计算

溢洪道斜穿河湾山脊，消能方式为表孔右区泄槽采用等宽连续挑坎，泄洪排沙孔区、表孔左区及表孔中区均采用扭鼻坎挑流消能。目前尚无对扭鼻坎型式的水力计算公式，可通过模型试验观测水力特性。

消能区岩石较软弱，综合考虑，下游消能防冲区基岩冲刷系数取1.8。消能防冲计算主要包括挑距计算以及下游冲坑估算。挑距按连续式挑坎估算，采用下式计算。

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

式中，L为自由挑坎顶算起的挑流水舌外缘与下游水面交点的水平距离，m;[v1]为坎顶水面流速，m/s，θ为挑坎角度，°;[h1]为坎顶铅直方向水深，m;[h2]为坎顶至下游水面高差，m;g为重力加速度，m/s2。

表孔右区挑距及冲坑最大水垫深度计算结果表明，表孔下游冲刷受大洪水控制。消能设计工况下，表孔右区泄槽下游冲坑底高程为360.34 m，相应至冲坑底部的挑距为114.82 m。下游消能区为开挖渠道，渠道开挖底高程为381～387 m。表孔右区各工况下的冲坑后坡坡比均小于1∶2.5，挑流鼻坎基础不受冲坑发展的影响。

3 水工模型试验

3.1 整体水工模型试验

为论证现溢洪道泄洪消能整体布置方案的合理性，并为泄洪表孔、泄洪排沙孔体型和结构设计提供科学依据，设计过程中，设计方委托长江科学院开展了1∶100水工整体模型试验和1∶100泥沙整体模型试验研究。

整个水工模型河道地形采用等高线法制作，溢洪道表孔坝面采用纯水泥砂浆制作，溢洪道泄槽、泄洪排沙孔、泄洪表孔及电站进出口采用有机玻璃制作。上游设置1个水尺，位于溢洪道上游引渠进口;下游设置1个水尺。图3和图4为整体水工模型试验成果。试验成果表明，表孔、泄洪排沙孔单独泄洪和联合泄洪时的泄流能力较设计泄流能力计算值的误差在允许范围内，设计泄流能力满足要求。经模型试验验证，推荐的溢洪道泄洪消能整体布置方案基本合理。

3.2 减压模型试验研究

为论证溢洪道表孔和泄洪排沙孔所采用体型的合理性，准确分析溢洪道溢流堰相关部位体型的水力特性和空化特性，评价其抗空化能力，在Level 2设计阶段，长江科学院开展了表孔和泄洪排沙孔减压模型试验研究。减压模型试验主要研究了泄洪排沙孔泄流有压段全程动水时均压力分布，尤以进口曲线段、事故检修门槽区等部位为重点关注，分析水力特性;在减压状态下，监测泄洪排沙孔有压段体型易空化部位在运行中的噪声信息，分析判断相关区域的空化特性、泄洪排沙孔检修闸门门槽体型的初生空化数及各运行工况下的水流空化数，评价该门槽体型的抗空化安全能力。模型试验成果表明，推荐的表孔和泄洪排沙孔设计体型合理。

4 溢洪道结构计算

4.1 控制段二维稳定计算

根据地质资料，溢洪道控制段3号泄洪排沙孔坝段坝基岩体为砂岩。4号泄洪排沙坝段坝基岩体为粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层，基岩计算参数取粉砂质泥岩。5号泄洪表孔坝段，坝基岩体主要为粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层，部分建基面开挖至砂岩，坝基岩体参数按20%砂岩和80%粉砂质泥岩进行面积加权平均取值计算。7号泄洪表孔坝段坝基岩体为砂岩。坝基岩体物理力学计算参数见表3。根据NB/T 35026-2014《混凝土重力坝设计规范》[4]，上述坝段二维稳定计算成果见表4。计算成果表明，典型坝段在各种工况下的建基面抗滑稳定承载能力极限状态均满足规范要求。

4.2 控制段三维有限元静动力分析

考虑到卡洛特水电站设计地震烈度较高，为充分论证控制段设计的合理性，选择5号泄洪表孔坝段以及位于岸坡部位的3号泄洪排沙孔坝段进行三维有限元静动力分析。其中3号坝段坝基岩体为砂岩，5号坝段坝基岩体为粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层，岩体参数低，为表孔坝段的控制断面。计算时，各坝段地基竖直向，上、下游方向均取1.5倍坝高，垂直流向的大坝两侧面为自由边界，地基底面全约束、侧面法向约束。

泄洪表孔和泄洪排沙孔坝段的三维有限元静力计算典型成果见图5～6。计算结果表明，坝体位移和应力分布符合一般规律。在地震工况下，坝体部分区域静动叠加后的拉应力较大，最大拉应力为3.79 MPa，適当配置钢筋即可。坝体静动叠加最大压应力小于混凝土抗压强度，基岩承载力能满足要求。

5 结 语

卡洛特水电站溢洪道泄洪流量大，地震烈度高，地质条件差，工程设计难度大。本文从溢洪道布置、水力设计、模型试验和结构设计等方面详细论述了溢洪道设计的合理性，可为工程建设提供科学依据。

参考文献：

[1] NB 35047-2015水电工程水工建筑物抗震设计规范[S].

[2] GB 50201-2014防洪标准[S].

[3] DL/T 5166-2002溢洪道设计规范[S].

[4] NB/T 35026-2014混凝土重力坝设计规范[S].

（编辑：李晓濛）

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