底欄柵壩在巴基斯坦水電站中的應用

譚立清，何忠富

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006）

1 工程概況

巴基斯坦Naltar水電站，位于巴基斯坦北部地區Gilgit市Naltar河中上游，是該河道梯級開發規劃中的中梯級電站（上梯級和下梯級暫未開發），工程以發電為目的。樞紐主要建筑物由取水頭部、沉砂池、輸水渠道、電站前池、壓力鋼管、電站廠房、尾水渠、升壓站、城區中心變電所、輸電線路等部分組成。電站裝機為3臺單機容量6MW的臥式沖擊式水輪發電機組，總裝機容量18MW，單機引用流量1.75m3/s。

2 泥沙及地質

（1）泥沙。Naltar河是一個山區河流，98.00％的水都來源于山，河床和山谷都是由漂石、礫石和砂組成的。在低河段水流狀況多數是紊流，懸移質主要受地貌結構的影響，泥沙來源于冰川、暴風雨的降雨，山體滑坡，坍坡和溝蝕。

根據巴基斯坦水電發展署對Naltar河推移質和懸移質實測數據分析，Naltar河年均推移質輸送量為281萬t，年均懸移質為315萬t（均主要發生在汛期）。

（2）工程地質。壩址處呈不對稱“U”谷，寬約30.00m（含左側道路），左右岸山坡立陡，主河床覆蓋層為第四紀沖洪積層，厚度約2.00～5.00m，由架空漂、卵石組成。

3 取水方案設計

根據河道地形、地質及泥沙條件，基本否定了無壩取水方式，工程最初設計重點考慮溢流壩結合沖沙閘、引水閘方案，該方案是比較常用的引水型式，具有可靠度高、運行方便，容易管理等特點。但在對河道推移質深入研究過程中發現，由于河道坡度陡，洪水時流速大，固體徑流不僅量多，而且平均粒徑很大，包括粗砂卵石以至大塊石，原設計方案很容易在在引水閘和沖沙閘閘前形成大塊石堆積，卵石填充，導致壩前庫區會很快淤平，阻礙河道水流進入進水閘，影響引水流量，同時坡陡水急，大粒徑卵石對沖砂閘門的撞擊對工程也構成威脅，難以解決。

在對該地區河道引水式電站調研過程中發現，該地區引水頭部普遍采用閘壩結合方式，在類似河道均存在上述缺陷，導致電站維護費用高，經常有電站停機現象。鑒于當地工程維護和管理水平，閘前堆石清理極為困難，采用閘壩結合方案難以滿足工程要求。

利用底欄柵壩式取水方式，解決了大粒徑卵石對沖砂閘門的撞擊，部分漂石、卵石堆積于壩前，部分卵石、砂礫石沖向壩下游。鋼制柵條有效的阻止粗大顆粒泥沙進入取水廊道，細小顆粒泥沙經沉砂池沉淀后，水質滿足發電用水要求。底欄柵壩式取水頭部與其它形式的取水渠首比較，具有布置容易、結構簡單、施工方便、工程造價低、易于運用管理等優點。

4 底欄柵取水壩設計

（1）底欄柵壩布置。底欄柵壩壩址的選擇，應結合地形、地質、水文等自然條件，為使廊道進水條件好，底欄柵壩軸線宜布置成垂直于天然主河流。該工程確定的底欄柵壩址兩岸有較好巖體出露，經布置，壩全長17.00m，右壩頭1.45m混凝土溢流堰體與巖體相連接，左壩頭1.45m空心混凝土溢流堰體與擋土墻連接，底欄柵柵段長14.10m，壩頂高程為1 528.46m，最大壩高4.96m。壩上游設寬度為2.50m的漿砌石護底，下游設長度為10.00m的漿砌石護坦，漿砌石厚度為0.50m。底欄柵壩廊道寬3.00m，底欄柵壩廊道底坡由4段折線連接。水通過暗涵引至沉砂池，暗涵出口設有閘門。閘門采用兩孔，孔口尺寸1.50m×1.50m，閘底板高程為1 523.74m；在閘門上方設閘門啟閉機工作平臺，工作平臺高程為1 528.90m。

欄柵設計采用值：柵隙s=8.00mm；柵條寬度t=14.00mm；柵條高度h=40.00mm；底欄柵傾斜坡度i=0.25。

（2）水力計算。底欄柵壩泄洪采用有坎寬頂堰計算，工程選址河床高程1 527.000m，寬頂堰坎高1.460m。

經計算，設計流量143.00m3/s（P=2％）時：堰上水頭H=2.785m；設計水位1 531.245m（P=2％）；校核流量192.20m3/s（P=0.5％），堰上水頭H=3.350m，校核水位1 531.810m（P=0.5％）。

底欄柵廊道水力設計參照取水輸水建筑物叢書《取水工程》，該設計廊道的流態采用無壓，底欄柵進流流量采用E.A.札馬林、B.B方捷耶夫的計算方法。柵欄寬度根據地形取14.00m，經計算，欄柵水平投影長度2.43m，考慮欄柵間隙堵塞，設計欄柵水平投影長度取3.00m。

廊道內水面曲線的計算，采用近似等流速法，為保證廊道內水流為無壓狀態，底欄柵底距水面留有0.30m的超高，底坡根據底欄柵側槽水力計算和施工方便，采用4段折線連接。

該工程山區河床及河岸抗沖刷能力較大，底欄柵壩對河流過流影響相對較小，通過計算，收縮水深與臨界水深相差不大，如果采用常規底流消能中的消力池，推移質可使它很快淤滿，而不起作用；該工程采用的是下深防沖墻的形式，為減小管理維修的目的出發，不按設計拋石坑的方式（拋石坑設計洪水過后必須要恢復，如不恢復將危及工程），而是按天然河床顆粒來計算沖刷坑的深度，防沖墻均下至沖刷深度以下，以保安全。

滲流計算采用阻力系數法，經過計算，校核水位對應單寬滲流量為0.000 85m/s；出口滲透坡降為0.09，小于管涌型地基土破壞允許坡度0.20，底欄柵壩不過流時對應單寬滲流量為0.000 24m3/s，滲流損失0.004m3/s，河流最小流量Q=1.80m3/s。滲流損失相對較小，對引水量幾乎沒有影響，因此，未對基礎進行防滲處理。壩體抗滑穩定和應力均滿足設計要求。

5 實際應用

工程于2005年開工，2007年5月竣工發電，施工期間壩前通過一次洪水后基本被塊石淤平，沉沙池內淤沙也較為嚴重。工程通過近3年的運行證明，利用底欄柵壩式取水方式很好的解決了推移質對引水的影響，同時利用推移質卵石對欄柵的碰撞，可減少和排除堵塞底欄柵的漂浮物和卡石，從而達到引水防漂防沙的目的。

通過對沉沙池運行監測，證明了沉沙池設置的必要性，減輕了電站前池淤積壓力。經現場管理人員反映，電站運行良好，底欄柵引用流量在平水期間能夠同時滿足發電和沖沙需求，取水頭部基本可以達到無人值守。

6 存在問題

在工程度汛期間，由于超設計尺寸的巨形塊石滾落，造成欄柵柵條局部破壞，整體翹曲，同時，高流速夾粗粒徑卵石對混凝土壩面破損較為嚴重，局部保護層（0.10m厚）破壞，后又采用鋼板保護。

［1］宋祖詔，張思俊，詹美禮.取水工程［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［2］李 煒，徐孝平.水利學［M］.武漢：武漢水利電力大學出版社.