卡洛特水电站枢纽布置设计

2022-04-02杨启贵孔凡辉万云辉张超

人民长江 2022年2期

杨启贵　孔凡辉　万云辉　张超

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站工程具有地震烈度高、坝址区岩性软弱、泄洪规模大、泥沙问题突出等复杂基础建设条件和建设开发背景。卡洛特枢纽工程主要包括挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物和导流建筑物，枢纽布置方案经过了充分的方案比较和模型试验论证。围绕枢纽布置方案涉及的水文泥沙、地形地质、施工组织、运行管理等要素，系统介绍了卡洛特水电站枢纽布置设计的重点和难点，并提出了相应的解决方案，旨在为类似工程枢纽布置设计提供有益的启示。

关键词：枢纽布置; 瀝青混凝土心墙堆石坝; 模型试验; 泄洪消能; 卡洛特水电站

中图法分类号： TV651

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.022

0引言

卡洛特水电站位于巴基斯坦旁遮普省卡胡塔县境内的吉拉姆河上，水库正常蓄水位461.00 m，相应的水库库容为1.52亿m3;工程建设的主要任务为发电，地面电站安装4台单机容量180 MW的机组，总装机720 MW。卡洛特水电站由中国三峡集团投资开发，设计按中国标准和规范执行，是巴基斯坦首个完全使用中国水电行业技术和中国标准设计建设的大型水电项目[1]。

卡洛特水电站主要由挡水建筑物沥青混凝土心墙堆石坝、泄水建筑物溢洪道、地面电站厂房和引水

建筑物、引水发电建筑物、导流建筑物

等组成。根据中国水电行业规范[2-3]，该水电站工程的规模为Ⅱ等大（2）型，主要永久水工建筑物包括大坝、溢洪道、引水发电建筑物等均为2级建筑物，其他次要建筑物为3级，设计结构安全级别均为Ⅱ级。根据水文资料分析，工程设计洪水标准为500 a一遇，对应洪峰流量为20 700 m3/s，校核洪水为5 000 a一遇，对应洪峰流量为29 600 m3/s。

本文结合卡洛特水电站工程区地形地质资料、水文条件、施工特点，介绍了挡水建筑物、泄洪排沙建筑物等的工程最优的枢纽布置方案。

1枢纽布置条件

1.1水文泥沙

卡洛特水电站所在的吉拉姆河（Jhelum）主要以季节性降雨和雪山融水补给。吉拉姆河流域受季节和地形的影响，降雨时空分布不均，主要是夏季降雨量较多，年内降雨差异大。卡洛特坝址附近每年3～9月的降雨量占全年的86.2%。根据水文统计资料，多年最大月平均流量最大的月份为5月，流量1 770 m3/s，最小的月份为12月，流量223 m3/s。旬平均流量最大的为5月下旬，最大流量1 760 m3/s，旬最小流量为1月上旬，最小值为216 m3/s。据收集到的坝址区域1969～2010年的水文资料分析，坝址区域多年平均流量819 m3/s，多年平均径流量258.3亿m3。坝址附近多年平均降雨量约为1 430 mm，多年平均蒸发量2 016 mm，多年平均的最大风速13 m/s，多年平均气温为22.2 ℃。

吉拉姆河两岸森林植被覆盖情况差异较大，沿河流水系植被覆盖情况良好，山坡高地植被覆盖率低。流域内每月基本都有降雨发生，降雨总量相对充沛。吉拉姆河流域内的泥沙主要是由于地质风化侵蚀等物理地质现象引起，实测资料表明：坝址河流多年平均悬移质输沙量年平均值为3 315万t，其中最小年输沙量为2001年的3.8万t，最大年输沙量为1992年的8 160万t，坝址河流多年平均泥沙含量为1.28 kg/m3，按中国经验，吉拉姆河属于中等泥沙含量河流，但卡洛特成库后库容约1.5亿m3，库容较小，与河流输沙量相比，泥沙淤积情况将较为严重，且实测资料表明，吉拉姆河泥沙颗粒偏粗。根据类似工程经验和前期泥沙研究成果[4-5]，结合中国在多沙河流上水电工程建设经验[6-7]，需选择汛期利用冲沙孔排沙冲沙的运用方式解决水库的泥沙问题。

1.2地形地貌

坝址区位于吉拉姆河河段的中上游，该地区主要以中低山坡地的地貌为主，靠近河流的岸坡高程450～900 m。在推荐坝址附近区域，吉拉姆河呈现出“几”字型穿越附近中低山坡地，在右岸山坡内部形成河湾地段，长度约700 m，如图1所示。

坝址可选河段两岸河谷总体呈现出不对称的“V”型，在“几”字型区域形成回头湾的形态。回头湾下游左岸有多级近岸斜坡发育，斜坡总体平缓，斜坡坡顶倾向为SE方向。右岸地形比较平缓，天然地形坡度约20°～35°，局部区域发育有陡坎地形。回头湾以上区域右岸地形呈现出上部陡、下部缓的形态，下部坡度通常为25°～35°，上部有台阶型式的陡坎、陡崖发育，上部坡顶主要呈现出向SEE方向倾斜的平缓形状，回头湾以上区域左岸主要发育有各级台阶，平均坡度为25°～30°，局部区域坡度较陡，左岸台阶高程424～462 m局部发育有台状平缓地带，坡顶主要为顺向基岩坡。

推荐坝址附近地形呈现出一定的封闭状态，左岸上坡陡峻，山体雄厚，右岸“几”字型区域河湾地块宽度380～700 m，在正常蓄水位附近，均不存在地形垭口。河床两岸可见阶地发育，局部可见三级阶地，阶地阶面的长度通常为220～670 m。坝址附近吉拉姆河水面高程通常在385～395 m之间，实测枯水期水深通常为6～8 m，河床中部水深8～12 m，水面宽度30～60 m。坝址区域未见明显的河漫滩发育。

1.3工程地质

根据工程区地震调查成果，以及评审通过的

《巴基斯坦卡洛特水电站工程场地地震安全性评价报告》，工程区基本地震烈度（50 a内超越概率10%）基岩地震水平向峰值加速度0.26g，坝址区地震基本烈度按Ⅷ度设计，100 a超越概率2%时的基岩水平向峰值加速度为0.52g。

地质勘察结果表明，坝址区未见岩浆岩、变质岩分布，钻孔结果表明坝址地层主要为新生界磨拉石建造的陆源碎屑沉积岩地层。区内岩石岩性主要为细砂岩、中砂岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩等。上第三系中新统多克帕坦（Dhok Pathan）组（N1dh）地层和纳格利（Nagri）组（N1na）在坝址附近出露。粉砂质泥岩和泥岩占比约23.8%，泥质粉砂岩、粉砂岩32.3%，细砂岩6.2%，中粗砂岩38.0%。坝址区砂岩层中夹有透镜状分布的疏松砂岩，主要是由于地层沉积环境、岩石成岩胶结程度不同造成的。在N1na3-1-1层，N1na3-2-1、N1na3-3-1、N1na4-1及N1na4-3-1层中局部分布有疏松砂岩。地质统计成果表明，疏松砂岩透镜体最大厚度为3.5 m，一般情况下厚度通常为0.1～0.6 m。疏松砂岩透镜体空间分布上呈现明显的随机性，无规律可以遵循，在地层中分布不稳定、岩性差。坝址区局部多见浅表覆盖层滑坡，未见明显的泥石流迹象。

根据前期地质钻孔试验成果，坝址区地下岩体透水性总体较弱，微新砂岩、粉砂岩，渗透性测试获得的渗透系数小于10 Lu的试验段数占总试验段数的比例超过90%，小于3 Lu的试验段数占比超过78%，总体呈现出透水性较弱的特征。弱风化的细砂岩、中砂岩等，受外界气候因素影响，岩体透水性与岩体风化程度密切相关，渗透性测试获得的渗透系数大于10 Lu的试验段数占总试验段数的比例超过12.5%至43%。细砂岩、中砂岩总体比其他岩类的透水性稍大。

2枢纽布置原则

卡洛特水电站工程主要包括沥青混凝土心墙坝、引水发电系统、导流洞和泄洪排沙建筑物等，枢纽布置应遵循以下原则。

（1）考虑将远期吉拉姆河流域规划和近期工程建设相结合。

（2）坝址附近洪水峰高量大，建筑物泄洪流量大，泄洪消能問题十分突出，枢纽布置时应优先考虑泄洪消能建筑物的布置，确保泄洪消能的安全。

（3）合理解决排沙建筑物布置、冲沙型式和引水系统发电的问题。

（4）工程的单一任务为发电，枢纽布置应尽可能保证发电效益的最大化。

（5）电站厂房尽可能布置在大坝下游，以合理利用水头差，减少工程量，厂房引水隧洞尽可能利用地质条件相对较好的微新砂岩层。

（6）尽可能便于建设期和运行期的管理，坝址所在的吉拉姆河左岸为巴基斯坦经济相对较为发达的旁遮普省，右岸位于民族宗教因素较为复杂的克什米尔地区，工程的运行管理牵涉到两个地区的利益之分，枢纽布置应尽可能考虑上述因素的影响。

3枢纽布置方案

卡洛特水电站大坝拟布置于卡洛特桥上游约1 km处，坝址河谷地形较狭窄，在高程469.50 m宽度约400 m。右岸为河湾地块，便于布置枢纽建筑物，引水隧洞横穿右岸山脊可获得下游河段约4 m水头。坝址区属中低山地貌，吉拉姆河在坝址区内呈“几”字形展布，在“几”字形右岸侧形成宽约700 m的河湾地块。场区内出露基岩地层主要为上第三系中新统纳格利组（N1na）地层，坝基岩体由相间分布的砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等组成，厚至薄层不等厚互层，砂岩、细砂岩饱和抗压强度20～30 MPa，泥质粉砂岩及粉砂质泥岩饱和抗压强度8～15 MPa;岩层倾向SEE，倾角7°～10°。与混凝土坝比较，沥青混凝土心墙堆石坝坝基应力小，对地质条件的适应性更好;沥青混凝土心墙堆石坝可充分利用建筑物开挖有用料;坝址区混凝土骨料较为缺乏，考虑沥青混凝土心墙堆石坝方案对混凝土骨料需求量较少，施工工期保障性更高，投资可控性更好，经深入方案比选后确定，本工程的坝型为沥青混凝土心墙堆石坝。根据确定的坝型，结合坝址区地形地质条件，进行枢纽布置方案比选。

3.1上、下坝线枢纽布置方案

根据坝址的地形地质条件，初步拟定了两条沥青混凝土心墙堆石坝比选坝轴线，即上坝线大坝和溢洪道相邻布置、下坝线大坝和溢洪道分散布置的方案。根据对坝址枢纽布置格局的研究，上坝线和下坝线沥青混凝土心墙堆石坝各拟定了一个枢纽布置方案，如图2，3所示。

上坝线大坝轴线较短，溢洪道开挖料上坝距离近，但引水发电系统、泄洪排沙洞和导流洞集中布置在河湾山脊，布置相对拥挤，基本无调整余度，施工组织难度大，引水发电隧洞、泄洪排沙洞和导流洞洞线均相较于下坝线要长。下坝线

枢纽布置坝线处地形均较开阔，地质条件较简单;溢洪道、发电建筑物不存在重大工程地质问题，地形地质条件相当。下坝线枢纽布置（方案一）充分利用了河流河湾地形布置建筑物，引水线路最短，但大坝、引水发电系统和泄洪排沙洞集中布置在河湾湾头，布置较为紧凑，受河湾和下游左岸冲沟影响，调整余度小，右岸河湾地块施工场地受溢洪道占压影响，可利用面积较少;场内道路与对外交通的联系在溢洪道施工期有影响，开挖利用料运距较远。

经综合比较，下坝线枢纽布置方案充分利用了河湾地形布置建筑物，引水线路最短，溢洪道斜穿山脊，其溢洪道与河道夹角较小，归槽条件较好，出水位于厂房尾水下游，泄洪及冲刷淤积对电站的正常运行影响小，经计算，下坝线工程量省，优于上坝线。因此，推荐下坝线为该电站大坝的坝轴线。

3.2下坝线枢纽布置比选方案

在上述下坝线枢纽布置方案中，虽然发电引水隧洞、导流洞和泄洪排沙洞洞线短，但存在溢洪道与大坝距离远，溢洪道开挖料上坝运输距离远等问题。为论证布置方案的合理性，进一步对枢纽布置方案进行调整，如图4所示，具体为河床下坝线布置沥青混凝土心墙堆石坝，右岸河湾地块从上游至下游依次布置2条导流洞、2条泄洪排沙洞、引水发电建筑物和6个表孔溢洪道，其中2条泄洪排沙洞布置于电站进水口两侧。大坝上、下游布置全年挡水土石围堰，采用导流洞和泄洪排沙洞联合泄流的导流运用方式，溢洪道与大坝相邻布置。

经综合比较，下坝线调整后的大坝与溢洪道集中布置方案主要区别在于溢洪道和引水发电系统的位置不同，泄洪排沙洞和导流洞布置亦随之相应变化，二者工程量基本相当。但调整后的方案溢洪道出水位于厂房尾水上游，泄洪及冲刷淤积等均对电站的正常运行有影响，不利于工程的发电效益，不建议采用溢洪道出口在上游、电站厂房在下游的枢纽布置方案。

3.3下坝线枢纽布置方案优化

根据上述方案比选可知，下坝线沥青混凝土心墙坝与溢洪道分散布置的方案为较优方案，在下坝线心墙坝方案一枢纽布置格局的基础上，对枢纽布置方案进行了进一步的优化研究工作，主要研究内容包括：

（1）对下坝线枢纽布置方案进一步优化调整，包括将溢洪道控制段向下游移动，减小溢洪道轴线与下游原河道夹角以改善下泄水流归槽条件;调整导流洞出口位置，以减少对卡洛特大桥的影响。原布置方案溢洪道轴线与下游河道夹角约为46°，与类似工程相比，泄洪角度偏大，为使溢洪道下游出流更顺畅，调整溢洪道轴线与下游主河床轴线夹角为约35°，较原方案减小11°。在平面上，以溢洪道控制段坝轴线与天然地形线470 m等高线的交点作为溢洪道控制段布置的控制点，将方案一溢洪道控制段整体向下游移动，进一步减少溢洪道开挖。

（2）在溢洪道引水渠内侧向布置电站进水口，将厂房位置整体向下游移动，缩短引水发电隧洞长度，取消电站引水隧洞调压室;在溢洪道控制段布置泄洪排沙孔冲沙，取消泄洪排沙洞。

（3）將导流洞出口布置于卡洛特桥下游，避免出口开挖中断大桥交通，可保留卡洛特桥作为施工准备期交通用桥。

4推荐枢纽布置方案

根据坝址区的地形地质条件，在优化调整后的下坝线枢纽布置基础上，本着“安全可靠、经济合理、技术先进、风险可控”的设计原则，确定推荐的枢纽布置方案，如图5所示。

（1）利用溢洪道引水渠侧向布置电站进水口，同时将厂房位置整体下移，以缩短引水隧洞长度，取消调压室，降低了工程地质风险，减少了工作面，更有利于施工布置。

（2）在溢洪道控制段较低高程布置泄洪排沙孔，取消方案一的泄洪排沙洞，将电站进水口尽量靠近溢洪道表孔布置，排沙效果更优，且进一步减少了地下洞室规模，降低了工程地质风险。

为保证电站进水口“门前清”，考虑在电站进口位置，沿溢洪道引渠左边线设置拦沙坎，进水塔以不挖470.00 m高程地形线为基准，与拦沙坎拉开一定距离保证水力过渡，同时缩短引水隧洞长度，取消调压室。主厂房顺地形线布置在卡洛特大桥上游约130 m处。

大坝上、下游围堰布置基本不变，厂房尾水围堰调整为预留岩埂型式;导流隧洞调整至厂房上游，由于新的枢纽布置取消泄洪排沙洞，改为泄洪排沙孔，导流期间无法利用，因此，导流隧洞由方案一的2条直径13.8 m的圆形洞改为3条直径12.5 m的圆形洞。

为满足水库降低水位排沙和厂房进水口“门前清”的要求，在溢洪道控制段设置泄洪排沙孔，按满足库水位446.00 m时下泄2 a一遇洪水洪峰流量（2 460 m3/s）进行设置。泄洪排沙孔可兼顾低水位泄洪排沙清库和设置放空设施部分放空水库两方面的用途。溢洪道泄洪排沙孔紧邻电站引水隧洞进水口布置，可确保拉沙效果。取消泄洪排沙洞后，施工工作面减少，施工条件较好。且电站主厂房永久交通可完全布置在右岸，避免了从左岸克什米尔地区绕行。

推荐枢纽布置方案挡水建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝方案，坝顶高程469.50 m，坝顶设1.20 m高防浪墙，墙顶高程470.50 m，坝顶宽度12 m，坝顶长度约456 m，大坝最大坝高95.50 m，上游和下游坡比均为1∶2.25，可研阶段推荐上游围堰和大坝结合的方案[8]。

在“几”字型河湾地块的右岸横穿山脊布置泄洪消能建筑物，根据泄流能力计算，需设置6个泄洪表孔，孔口尺寸为14 m（宽）×22 m（高），表孔溢流堰顶高程为439.00 m;为确保电站进水口“门前清”并顺利排除库内泥沙，在靠近电站进水口的坝段设2个泄洪排沙孔，排沙孔尺寸为9 m（宽）×10 m（高），排沙孔底板高程为423.00 m。溢洪道泄洪表孔和泄洪孔后接泄槽。两孔泄洪排沙孔共用1个泄槽，6孔泄洪表孔分3个泄槽，每2孔共用一个泄槽，共分为4个区。泄槽轴线采用直线，与上游控制段的轴线相互垂直，设计泄槽底坡为4.5%。溢洪道各区的泄槽均采用挑流消能的方式，共设4个挑流鼻坎，除泄洪表孔右区挑流鼻坎采用半径60 m，挑角30°的连续式挑流鼻坎外，其他各区鼻坎均采用扭鼻坎的型式。

引水发电建筑物采用岸边引水式地面厂房，布置在右岸。4条引水隧洞内径9.5～7.9 m，长度为401～455 m，主厂房（包括安装场）总尺寸为170.40 m×27.00 m×60.50 m（长×宽×高），总装机720 MW，机组安装高程382.50 m。

施工导流采用全年围堰一次拦断河床、导流隧洞泄流的导流方式。大坝上游围堰顶部高程433.00 m，下游围堰顶部高程405.50 m;在电站厂房尾水渠预留岩埂围堰，第4年10月前按全年挡水围堰设计，堰顶高程404.00 m，第4年10月将围堰拆除至枯水期围堰，堰顶高程392.50 m，待尾水渠施工完成后全部拆除;在溢洪道进水渠上游和下游消能区均预留岩梗作为围堰，进口围堰高程为434.50 m，消能区出口围堰高程402.00 m，施工完成，上述围堰均需拆除。

5泄洪消能、防冲和泥沙整体模型试验

在卡洛特水电站枢纽布置设计中，消能、防冲和泥沙问题是最为核心的问题，为论证推荐的枢纽布置方案合理性，并为后续结构设计提供依据，卡洛特水电站枢纽布置设计研究中开展了枢纽布置1∶100水工整体模型试验和1∶100泥沙整体模型试验。

水工整体模型试验成果表明：泄洪建筑物规模合适，溢洪道上游进水渠渠内流速缓慢，水流平顺，呈水库型水流特性;表孔、泄洪排沙孔采用挑流消能;消能区采用混凝土护岸带防淘墙的形式进行消能防护是可行的，泄洪对发电效益影响较小，整体泄洪消能布置可行。泥沙整体模型试验成果表明：高水位条件下溢洪道的泄流能力受水库淤积影响较小，冲淤平衡后溢洪道的泄流能力仍满足要求。防沙排沙设施的布置和规模合适，可保证水库必要的调节库容和电站进水口“门前清”，基本实现运行期正常引水发电。经模型试验验证，推荐的枢纽布置溢洪道泄洪消能整体布置方案是合理的。

6结论

卡洛特水电站枢纽布置设计主要有以下几方面显著特点：

（1）卡洛特水电站洪水峰高量大，溢洪道建基岩体岩性软弱，抗冲能力差。枢纽布置设计中最关键的问题是合理确定泄洪消能建筑物的布置，宏观枢纽布置方案均围绕泄洪消能的需要和工程安全展开。

（2）解决泥沙问题是枢纽布置设计的难点，经充分论证，选择溢洪道布置2孔泄洪排沙孔与电站进水口毗邻的布置方案，利用汛期冲沙排沙的运用方式，可确保厂房进水口“门前清”，相较于泄洪排沙洞的方案，可节省工程直接投资，避免软岩地质条件成洞和排沙洞经常冲沙运用造成的风险。

（3）施工组织的科学设计，是枢纽布置设计中应关注的重点内容，卡洛特水电站选择溢洪道和沥青混凝土心墙坝分散布置，引水发电系统和导流洞位于其间的枢纽布置方案，可兼顾经济性和施工组织合理性的要求。

（4）导流隧洞、引水发电系统和溢洪道布置紧凑，均位于吉拉姆河右岸旁遮普省，便于运行期的维护和管理。

（5）卡洛特水电站枢纽布置在设计选定方案后，经过充分的整体模型试验，各水工建筑物的水工模型试验成果与设计是吻合的，验证了枢纽布置设计的合理性。

参考文献：

[1]鄢双红.巴基斯坦卡洛特水电站工程特点及关键技术[J].水利水电快报，2020，41（1）：36-41.

[2]中华人民共和国水利部.防洪标准：GB 50201-2014[S].北京：中国计划出版社，2014.

[3]水电水利规划设计总院.水电工程水工建筑物抗震设计规范：NB35047[S].北京：中国电力出版社，2015.

[4]胡春宏.我国多沙河流水库“蓄清排浑”运用方式的发展与实践[J].水利学报，2015，47（3）：283-291.