巴基斯坦卡洛特水电站1号渣场排洪设计

黄斌 方舒 仲康

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站1号渣场位于大坝左岸下游约550 m的吉拉姆河左岸6号冲沟沟口，临河侧渣脚位于河道洪水位以下，且弃渣占压的6号冲沟的汇水面积及洪峰流量均较大。为了保障1号渣场的顺利堆渣和长期运行安全，需要解决6号冲沟的排洪安全问题。在查明1号渣场周边的地形地质和水文条件基础上，对排洪布置方案进行了比选，推荐沿左侧坡面修建排洪沟方案。按照分段法推算排洪沟的沿程水面线，确定了排洪沟的纵断面设计。结合排洪沟和堆渣体的关系，确定了排洪沟的进出口及横断面设计。结果表明，该工程1号渣场排洪布置、设计方案可满足渣场排洪需要。相关经验可供类似工程弃渣场设计借鉴。

关键词：渣场;排洪设计;分段法;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV22文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.025

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0111 - 05

0 引 言

沟道型弃渣场一般指布置在天然河道、沟道内，且渣体将天然河道、沟道全部或部分填埋的弃渣场[1]。赵芹等[2]根据弃渣堆放在沟道中的相对位置不同，将沟道型弃渣场分为拦沟型弃渣场、顺沟型弃渣场和填沟型弃渣场。吴伟等[3]根据水电工程弃渣场的特点，提出了复合型弃渣场的概念。不论沟道型弃渣场类型如何，在弃渣堆置后全部或部分堵塞天然河道、沟道，影响过流能力，可能危及弃渣场上游的天然河道、沟道行洪安全[4]。

沟道型弃渣场集水面积大、洪峰流量大，合适的排水方案是确保渣场稳定的关键。因此，在弃渣前，通过布置安全有效、经济合理的排洪设施，将弃渣场拟占压区上游的天然河道或沟道的来水安全导排至下游侧的沟道或河道中，是沟道型弃渣场设计的重难点。近年来，相关学者根据不同类型的沟道型弃渣场，提出了各种防护设计方案，主要包括修建排洪沟、排洪暗涵、排洪隧洞、明沟+暗涵的组合方案等[5-7]。巴基斯坦卡洛特水电站1号渣场位于吉拉姆河的一级支沟——6号冲沟沟口，弃渣堆存规模较大且为永久堆存，弃渣占压并阻隔了6号冲沟。1号渣场所在的6号冲沟上游汇水面积较大，堆渣坡脚下游即为吉拉姆河，且与对岸电站尾水出口的直线距离仅约130 m。弃渣场区年降水量达1 430 mm，降水集中、频繁且常年有较稳定的水流，若不能安全地将堆渣区上游6号冲沟的汇水排导至下游的吉拉姆河，蓄积的水流进入渣体内将增大渣体含水量，加速渣体中泥岩软化，降低弃渣场的稳定性，有可能推动渣体进入吉拉姆河堵塞河道形成堰塞湖，危及河道的行洪和主体工程的施工安全。

1 工程概况

卡洛特水电站坝址位于巴基斯坦旁遮普省与巴控克什米尔地区交界处的卡洛特桥上游1.0 km处，是巴基斯坦境内吉拉姆河规划的5个梯级电站的第4级。该工程为单一发电任务的水电枢纽，水库正常蓄水位461.0 m，电站装机容量72万kW（720 MW），多年平均年发电量32.06 亿kW·h。主体工程开挖及拆除总量1 381.81 万m3（自然方，下同），弃渣总量1 023.24 万m3，运至1～4号存弃渣场集中堆存。其中，1号渣场占地面积15.37 hm2，规划堆渣高程399.0～505.0 m，堆渣量约420 万m3（松方）。1号渣场堆渣区以上6号冲沟汇流面积29.41 km2，按照推理公式计算，不同频率下6号冲沟的洪峰流量见表1。

2 弃渣场防洪标准的确定

1号渣场的堆渣量约420 万m3，最大堆渣高度106 m，渣场失事后主要影响堆渣坡脚的公路，对主体工程施工及运行影响较小。根据GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》，1号渣场的级别为2级，排洪工程级别为2级，相应的设计防洪标准为50～100 a一遇，校核标准为100～200 a一遇。经进一步复核后确定，在采取了标准较高的拦渣堤（坝）、排洪沟、截排水沟和斜坡防护工程等综合防护措施后，1号渣场整体垮塌的风险相对较小。因此，从降低工程投资等因素考虑，在设计中将排洪沟设计标准取下限，即采用50 a一遇设计洪水标准和100 a一遇校核标准，相应的设计、校核洪峰流量分别为549 m3/s和622 m3/s。

3 排洪布置方案研究

1号渣场所在的6号冲沟汇水面积和洪峰流量均较大，可供选择的排洪设施主要为排洪隧洞和排洪沟。1号渣场所在的6号冲沟沟口的两侧山体坡面均较陡峭，左侧山体较厚实，右侧有当地居民出行的公路环绕，施工期间要保障居民通行。堆渣坡脚对岸为电站尾水出口，右侧布置排洪设施，可能影响电站尾水排泄。弃渣堆具有一定高度，若在顶面布置排洪沟，则堆渣的前3 a不具备排洪能力。因此，排洪设施仅能沿左侧布置，初步拟定了两个排洪设施布置比选方案，即左侧排洪隧洞方案和左侧排洪沟方案。

3.1 方案一：左侧排洪隧洞方案

沿左侧山体开挖全长654 m的隧洞，隧洞进口底板高程456 m，出口底板高程399.0 m，平均纵坡8.72%。隧洞为城门洞型结构，底宽8.0 m，高12.0 m，为全断面C30钢筋混凝土衬砌。隧洞出口接长约35 m的明槽段順接入吉拉姆河。

3.2 方案二：左侧排洪沟方案

沿左侧天然坡面开挖一条全长632 m的排洪沟，进口沟底高程448.0 m，出口沟底高程386.08 m，平均纵坡9.80%;排洪沟为梯形断面，底宽10.0～12.0 m，沟深5.0～6.5 m，边坡1：0.5，采用C30钢筋混凝土衬砌。

3.3 方案比选

排洪隧洞具有扰动地表面积少、对弃渣活动干扰少等优点，缺点是在排洪隧洞完工前不能大量弃渣，且费用相对较高。排洪沟线路相对较短，虽然开挖及扰动地表面积较大，但其费用相对较低，且可在施工的同时兼做导流设施，不影响工程弃渣。因此，从有利于工程施工和节省费用方面考虑，推荐采用排洪沟布置方案。

4 排洪沟设计

4.1 水力计算

4.1.1 排洪沟基本计算参数

根据推荐的排洪沟布置方案，确定排洪沟平面布置如图1所示，排洪沟基本参数详见表2。

4.1.2 计算方法

（1）水面线推算。排洪沟为人工修建的钢筋混凝土明沟，线路较长。为计算沿线的断面尺寸，需推先算排洪沟沿线的水面线。由于排洪沟进口以上的6号冲沟为山区天然冲沟，排洪沟内水流为非均匀流，可按照分段法推算水面线。主要公式如下：

[hi+V2i2g-hi+1+V2i+12gΔl=i-J] （1）

式中：hi，hi+1分别为断面i、断面i+1的水深，m;Vi，Vi+1分别为断面i、断面i+1的流速，m/s;[Δl]为流段长度，m;[J]为流段的平均水力坡度，计算公式为

[J=V2n2R3/4] （2）

其中

[V=Vi+Vi+12] （3）

[R=Ri+Ri+12] （4）

式中：n为糙率，缓坡段取0.014，陡坡段采用双人字形消能工加糙，计算公式为

[n=（a-cα+dβ）Si]

式中：a，c，d为粗糙种类常数，分别取0.116 1，0.006 1，-0.001 2;α為相对光滑度，α=h/δ，h为糙条上水深，δ为糙条高度，δ取0.45 m;β为相对宽度，β=b/h，b为沟底宽;Si为底坡修正系数，沟底纵坡20%，取1.0。

（2）进口临界水深。排洪沟进口临界水深计算公式为

[hk=αq2g3]              （5）

式中：q为单宽流量，可通过q=vh计算得到;[α]为动能修正系数，近似取1.0。

（3）掺气水深计算。掺气水深计算公式为

[hb=（1+V/100）h]    （6）

式中：h为不计入掺气影响的水深，m;V为计算断面流速，m/s。

（4）弯道超高计算。弯道段弯道超高计算公式：

[Δh=KV2Bgrc] （7）

式中：Δh为由弯道离心力及急流冲击波共同作用形成的外墙水面与中心线水面的高差，m;K为超高系数，梯形取1.0; rc为弯道轴线半径，m;B为水面宽度，m。

4.1.3 计算结果及分析

（1）缓坡段。缓坡段沟道包括坡度为1%的沟道，即桩号K0+023至K0+294.42。首先，分别通过明渠均匀流公式和临界水深公式计算，可得正常水深为3.63 m，临界水深为6.04 m。由于正常水深小于临界水深，因此可以定性的判断渠道内的水流为急流。由于排洪沟上游坡度为0，即可将排洪沟入口处（桩号K0+023）视为临界水深，即设计工况6.04 m。确定入口水深后，可根据水面线推算公式，推算缓坡段内的水面线，具体见表3。从经济角度考虑，设计工况下，除第一断面水深为6.04 m外，其余断面均在6.00 m以下，因此缓坡段弯道沟深确定为6.00 m，直线段沟深为5.00 m。

（2）陡坡段。陡坡段桩号K0+294.42至K0+631.63，水面线推算见表4。从经济、安全和便于施工考虑，陡坡段沟深确定为5.50 m。

4.2 结构设计

4.2.1 纵断面设计

排洪沟全长631.63 m，其中桩号K0+000至K0+294.42段为缓坡段，沟底纵坡1%。桩号K0+294.42至K0+331.64为过渡段，沟底纵坡由1%渐变至20%。桩号K0+331.64至K0+592.98为陡坡段，沟底纵坡20%;桩号K0+592.98至K0+631.63为过渡段，沟底纵坡由20%渐变为0，出口接吉拉姆河。

4.2.2 横断面设计

排洪沟为梯形断面，沟底宽度10.0～12.0 m，两侧边坡1：0.5，沟深5.0～6.5 m;根据沿线构筑物及挡渣等需要，采用贴坡式衬砌和重力式挡墙结构。底板厚度0.6～0.8 m，采用C30钢筋混凝土衬砌。典型横断面如图2所示。

4.2.3 边坡开挖及支护

4.2.3.1 开挖

排洪沟开挖坡比覆盖层一般1∶1～1∶1.5，强风化开挖坡比一般为1∶0.5～1∶1，弱风化及以下开挖坡比1∶0.5，覆盖层及强风化开挖坡比可根据地质条件适当调整。

4.2.3.2 边坡支护

（1）桩号K0+320至K0+360之间边坡。对高程475.0 m以上的土质边坡，在按1∶1.5开挖后，采取L=6.0 m的美标9号锚杆支护，对高程467.0～475.0 m之间的边坡，按1∶1.2～1∶1.8开挖后，采取L=6.0 m的美标9号和L=9.0 m的美标10号锚杆支护，间排距均为2.0 m。对高程457.0～467.0 m之间的边坡，清除坡面松散的浮渣，清理后压实坡面。在高程457.0 m马道挡墙后及以上坡面回填石渣料，最大粒径小于30 cm，单层厚度小于40 cm，分层夯实压实度不小于0.93，回填后边坡1∶1.8。石渣料回填完工后，采取L=6.0 m的美标9号锚杆支护，间排距均为2.0 m。对高程457.0 m以下的边坡，采取L=4.5 m的美标8号锚杆支护，间排距均为2.0 m。上述边坡锚杆安装完成后，设间排距均为3.0 m、深度为2.0 m的排水孔。在锚杆及排水孔完工后，挂网喷10 cm厚的C20混凝土保护。开挖支护如图3所示。

（2）其他边坡。其他边坡开挖成型后，采取L=4.5 m的美标8号锚杆支护，间排距均为2.0 m。边坡设间排距均为3.0 m、深度为2.0 m的排水孔。在锚杆及排水孔完工后，挂网喷10 cm厚的C20混凝土保护。

4.2.4 坡顶截排水沟

（1） 截水沟。在开挖前，拟在坡顶修建截水沟，分为A型截水沟和B型截水沟。其中，A型截水沟位于排洪沟左侧开挖坡顶上方，全长约630 m，为矩形断面，宽0.5 m，深0.5 m，沟底纵坡与原坡面一致，采用30 cm厚M7.5浆砌石砌筑，过水面采用2 cm厚M10水泥砂浆抹面。B型截水沟位于排洪沟桩号K0+234至K0+271之间左侧开挖坡顶上方（与天然沖沟相交处），全长37 m，为矩形断面，宽2.0 m，深1.0 m，沟底纵坡与原坡面一致，采用50 cm厚M7.5浆砌石砌筑，过水面采用5 cm厚的M10水泥砂浆抹面。

（2） 排水沟。根据排洪沟沿线地形条件，在坡面修建2条坡面排水沟，即A型排水沟和B型排水沟。其中，A型排水沟位于排洪沟桩号K0+270左侧坡面，全长20.0 m，为梯形断面，底宽0.8 m，沟深1.0 m，边坡1：0.5，沟底纵坡与原坡面一致，采用30 cm厚C25混凝土衬砌。B型排水沟位于排洪沟桩号K0+500左侧坡面，全长11.0 m，为矩形断面，宽0.6 m，深0.4 m，沿坡面开挖而成，过水面挂网并喷10 cm厚C20混凝土，表面抹2 cm厚的M10水泥砂浆。

（3）调节池。在截排水沟交汇处各布置1处调节池。其中，排洪沟桩号K0+270处调节池长4.0 m，宽3.0 m，深2.0 m，采用C30混凝土衬砌。排洪沟桩号K0+500处调节池长2.0 m，宽2.0 m，深1.5 m，采用C20混凝土衬砌。

5 结 论

通过对卡洛特水电站1号渣场的排洪布置及设计方案研究，得到以下几点结论。

（1）对于大流量沟道型弃渣场，可通过多角度论证分析确定其防洪标准。根据弃渣场稳定安全对周边的影响，适当选取规范值，以此降低排洪工程规模，节省工程投资。

（2）鉴于弃渣场一般为永久堆存，后期难以全面、系统地运行管护，一旦发生淤堵和损坏，排洪隧洞、暗涵等难以得到及时修复，可能会造成水土流失甚至是安全风险。因此，对于大流量的沟道型弃渣场，建议优先采用开挖山体修建明沟的排洪型式。其次，要移交弃渣场管理责任，明确弃渣场管护制度，落实责任人和维护经费，保障弃渣场长期运行安全。

（3）在分段推求水面线的基础上，通过分析确定排洪沟的横断面，可优化排洪沟设计，在保障安全排水的基础上控制开挖扰动范围。相关经验可为类似工程提供借鉴。

参考文献：

[1] GB51018-2014  水土保持工程设计规范[S].

[2] 赵芹，郑创新.沟道型弃渣场分类及工程防护措施分析[J].中国水土保持，2010（4）：38-40.

[3] 吴伟，杜运领.水电工程复合型弃渣场水土保持设计探讨[J].中国水土保持，2014（1）：40-42.

[4] 纪强，王治国.新形势下加强水利水电工程弃渣场设计与审查的思考[J].水利规划与设计，2016（12）：117-120.

[5] 孟繁斌，马力，黄斌.沟道型弃渣场排水方案研究[J].人民长江，2015，46（增1）：150-152.

[6] 朱辉，石亮亮.水电站弃渣场防洪排水设计[J].东北水利水电，2016（11）：5-7.

[7] 周云，袁泉.水布垭水电站庙王沟排洪沟水力计算分析[J].大坝与安全，2019（3）：56-60.

（编辑：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