楊啟貴　孔凡輝　萬云輝　張超

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站工程具有地震烈度高、壩址區(qū)巖性軟弱、泄洪規(guī)模大、泥沙問題突出等復雜基礎建設條件和建設開發(fā)背景?？逄貥屑~工程主要包括擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物和導流建筑物，樞紐布置方案經(jīng)過了充分的方案比較和模型試驗論證。圍繞樞紐布置方案涉及的水文泥沙、地形地質(zhì)、施工組織、運行管理等要素，系統(tǒng)介紹了卡洛特水電站樞紐布置設計的重點和難點，并提出了相應的解決方案，旨在為類似工程樞紐布置設計提供有益的啟示。

關鍵詞：樞紐布置; 瀝青混凝土心墻堆石壩; 模型試驗; 泄洪消能; 卡洛特水電站

中圖法分類號： TV651

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.022

0引 言

卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省卡胡塔縣境內(nèi)的吉拉姆河上，水庫正常蓄水位461.00 m，相應的水庫庫容為1.52億m3;工程建設的主要任務為發(fā)電，地面電站安裝4臺單機容量180 MW的機組，總裝機720 MW?？逄厮娬居芍袊龒{集團投資開發(fā)，設計按中國標準和規(guī)范執(zhí)行，是巴基斯坦首個完全使用中國水電行業(yè)技術和中國標準設計建設的大型水電項目[1]。

卡洛特水電站主要由擋水建筑物瀝青混凝土心墻堆石壩、泄水建筑物溢洪道、地面電站廠房和引水

建筑物、引水發(fā)電建筑物、導流建筑物

等組成。根據(jù)中國水電行業(yè)規(guī)范[2-3]，該水電站工程的規(guī)模為Ⅱ等大（2）型，主要永久水工建筑物包括大壩、溢洪道、引水發(fā)電建筑物等均為2級建筑物，其他次要建筑物為3級，設計結構安全級別均為Ⅱ級。根據(jù)水文資料分析，工程設計洪水標準為500 a一遇，對應洪峰流量為20 700 m3/s，校核洪水為5 000 a一遇，對應洪峰流量為29 600 m3/s。

本文結合卡洛特水電站工程區(qū)地形地質(zhì)資料、水文條件、施工特點，介紹了擋水建筑物、泄洪排沙建筑物等的工程最優(yōu)的樞紐布置方案。

1樞紐布置條件

1.1水文泥沙

卡洛特水電站所在的吉拉姆河（Jhelum）主要以季節(jié)性降雨和雪山融水補給。吉拉姆河流域受季節(jié)和地形的影響，降雨時空分布不均，主要是夏季降雨量較多，年內(nèi)降雨差異大?？逄貕沃犯浇磕?～9月的降雨量占全年的86.2%。根據(jù)水文統(tǒng)計資料，多年最大月平均流量最大的月份為5月，流量1 770 m3/s，最小的月份為12月，流量223 m3/s。旬平均流量最大的為5月下旬，最大流量1 760 m3/s，旬最小流量為1月上旬，最小值為216 m3/s。據(jù)收集到的壩址區(qū)域1969～2010年的水文資料分析，壩址區(qū)域多年平均流量819 m3/s，多年平均徑流量258.3億m3。壩址附近多年平均降雨量約為1 430 mm，多年平均蒸發(fā)量2 016 mm，多年平均的最大風速13 m/s，多年平均氣溫為22.2 ℃。

吉拉姆河兩岸森林植被覆蓋情況差異較大，沿河流水系植被覆蓋情況良好，山坡高地植被覆蓋率低。流域內(nèi)每月基本都有降雨發(fā)生，降雨總量相對充沛。吉拉姆河流域內(nèi)的泥沙主要是由于地質(zhì)風化侵蝕等物理地質(zhì)現(xiàn)象引起，實測資料表明：壩址河流多年平均懸移質(zhì)輸沙量年平均值為3 315萬t，其中最小年輸沙量為2001年的3.8萬t，最大年輸沙量為1992年的8 160萬t，壩址河流多年平均泥沙含量為1.28 kg/m3，按中國經(jīng)驗，吉拉姆河屬于中等泥沙含量河流，但卡洛特成庫后庫容約1.5億m3，庫容較小，與河流輸沙量相比，泥沙淤積情況將較為嚴重，且實測資料表明，吉拉姆河泥沙顆粒偏粗。根據(jù)類似工程經(jīng)驗和前期泥沙研究成果[4-5]，結合中國在多沙河流上水電工程建設經(jīng)驗[6-7]，需選擇汛期利用沖沙孔排沙沖沙的運用方式解決水庫的泥沙問題。

1.2地形地貌

壩址區(qū)位于吉拉姆河河段的中上游，該地區(qū)主要以中低山坡地的地貌為主，靠近河流的岸坡高程450～900 m。在推薦壩址附近區(qū)域，吉拉姆河呈現(xiàn)出“幾”字型穿越附近中低山坡地，在右岸山坡內(nèi)部形成河灣地段，長度約700 m，如圖1所示。

壩址可選河段兩岸河谷總體呈現(xiàn)出不對稱的“V”型，在“幾”字型區(qū)域形成回頭灣的形態(tài)?；仡^灣下游左岸有多級近岸斜坡發(fā)育，斜坡總體平緩，斜坡坡頂傾向為SE方向。右岸地形比較平緩，天然地形坡度約20°～35°，局部區(qū)域發(fā)育有陡坎地形?；仡^灣以上區(qū)域右岸地形呈現(xiàn)出上部陡、下部緩的形態(tài)，下部坡度通常為25°～35°，上部有臺階型式的陡坎、陡崖發(fā)育，上部坡頂主要呈現(xiàn)出向SEE方向傾斜的平緩形狀，回頭灣以上區(qū)域左岸主要發(fā)育有各級臺階，平均坡度為25°～30°，局部區(qū)域坡度較陡，左岸臺階高程424～462 m局部發(fā)育有臺狀平緩地帶，坡頂主要為順向基巖坡。

推薦壩址附近地形呈現(xiàn)出一定的封閉狀態(tài)，左岸上坡陡峻，山體雄厚，右岸“幾”字型區(qū)域河灣地塊寬度380～700 m，在正常蓄水位附近，均不存在地形埡口。河床兩岸可見階地發(fā)育，局部可見三級階地，階地階面的長度通常為220～670 m。壩址附近吉拉姆河水面高程通常在385～395 m之間，實測枯水期水深通常為6～8 m，河床中部水深8～12 m，水面寬度30～60 m。壩址區(qū)域未見明顯的河漫灘發(fā)育。

1.3工程地質(zhì)

根據(jù)工程區(qū)地震調(diào)查成果，以及評審通過的

《巴基斯坦卡洛特水電站工程場地地震安全性評價報告》，工程區(qū)基本地震烈度（50 a內(nèi)超越概率10%）基巖地震水平向峰值加速度0.26g，壩址區(qū)地震基本烈度按Ⅷ度設計，100 a超越概率2%時的基巖水平向峰值加速度為0.52g。

地質(zhì)勘察結果表明，壩址區(qū)未見巖漿巖、變質(zhì)巖分布，鉆孔結果表明壩址地層主要為新生界磨拉石建造的陸源碎屑沉積巖地層。區(qū)內(nèi)巖石巖性主要為細砂巖、中砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖等。上第三系中新統(tǒng)多克帕坦（Dhok Pathan）組（N1dh）地層和納格利（Nagri）組（N1na）在壩址附近出露。粉砂質(zhì)泥巖和泥巖占比約23.8%，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖32.3%，細砂巖6.2%，中粗砂巖38.0%。壩址區(qū)砂巖層中夾有透鏡狀分布的疏松砂巖，主要是由于地層沉積環(huán)境、巖石成巖膠結程度不同造成的。在N1na3-1-1層，N1na3-2-1、N1na3-3-1、N1na4-1及N1na4-3-1層中局部分布有疏松砂巖。地質(zhì)統(tǒng)計成果表明，疏松砂巖透鏡體最大厚度為3.5 m，一般情況下厚度通常為0.1～0.6 m。疏松砂巖透鏡體空間分布上呈現(xiàn)明顯的隨機性，無規(guī)律可以遵循，在地層中分布不穩(wěn)定、巖性差。壩址區(qū)局部多見淺表覆蓋層滑坡，未見明顯的泥石流跡象。

根據(jù)前期地質(zhì)鉆孔試驗成果，壩址區(qū)地下巖體透水性總體較弱，微新砂巖、粉砂巖，滲透性測試獲得的滲透系數(shù)小于10 Lu的試驗段數(shù)占總試驗段數(shù)的比例超過90%，小于3 Lu的試驗段數(shù)占比超過78%，總體呈現(xiàn)出透水性較弱的特征。弱風化的細砂巖、中砂巖等，受外界氣候因素影響，巖體透水性與巖體風化程度密切相關，滲透性測試獲得的滲透系數(shù)大于10 Lu的試驗段數(shù)占總試驗段數(shù)的比例超過12.5%至43%。細砂巖、中砂巖總體比其他巖類的透水性稍大。

2樞紐布置原則

卡洛特水電站工程主要包括瀝青混凝土心墻壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、導流洞和泄洪排沙建筑物等，樞紐布置應遵循以下原則。

（1） 考慮將遠期吉拉姆河流域規(guī)劃和近期工程建設相結合。

（2） 壩址附近洪水峰高量大，建筑物泄洪流量大，泄洪消能問題十分突出，樞紐布置時應優(yōu)先考慮泄洪消能建筑物的布置，確保泄洪消能的安全。

（3） 合理解決排沙建筑物布置、沖沙型式和引水系統(tǒng)發(fā)電的問題。

（4） 工程的單一任務為發(fā)電，樞紐布置應盡可能保證發(fā)電效益的最大化。

（5） 電站廠房盡可能布置在大壩下游，以合理利用水頭差，減少工程量，廠房引水隧洞盡可能利用地質(zhì)條件相對較好的微新砂巖層。

（6） 盡可能便于建設期和運行期的管理，壩址所在的吉拉姆河左岸為巴基斯坦經(jīng)濟相對較為發(fā)達的旁遮普省，右岸位于民族宗教因素較為復雜的克什米爾地區(qū)，工程的運行管理牽涉到兩個地區(qū)的利益之分，樞紐布置應盡可能考慮上述因素的影響。

3樞紐布置方案

卡洛特水電站大壩擬布置于卡洛特橋上游約1 km處，壩址河谷地形較狹窄，在高程469.50 m寬度約400 m。右岸為河灣地塊，便于布置樞紐建筑物，引水隧洞橫穿右岸山脊可獲得下游河段約4 m水頭。壩址區(qū)屬中低山地貌，吉拉姆河在壩址區(qū)內(nèi)呈“幾”字形展布，在“幾”字形右岸側(cè)形成寬約700 m的河灣地塊。場區(qū)內(nèi)出露基巖地層主要為上第三系中新統(tǒng)納格利組（N1na）地層，壩基巖體由相間分布的砂巖、細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等組成，厚至薄層不等厚互層，砂巖、細砂巖飽和抗壓強度20～30 MPa，泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強度8～15 MPa;巖層傾向SEE，傾角7°～10°。與混凝土壩比較，瀝青混凝土心墻堆石壩壩基應力小，對地質(zhì)條件的適應性更好;瀝青混凝土心墻堆石壩可充分利用建筑物開挖有用料;壩址區(qū)混凝土骨料較為缺乏，考慮瀝青混凝土心墻堆石壩方案對混凝土骨料需求量較少，施工工期保障性更高，投資可控性更好，經(jīng)深入方案比選后確定，本工程的壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩。根據(jù)確定的壩型，結合壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，進行樞紐布置方案比選。

3.1上、下壩線樞紐布置方案

根據(jù)壩址的地形地質(zhì)條件，初步擬定了兩條瀝青混凝土心墻堆石壩比選壩軸線，即上壩線大壩和溢洪道相鄰布置、下壩線大壩和溢洪道分散布置的方案。根據(jù)對壩址樞紐布置格局的研究，上壩線和下壩線瀝青混凝土心墻堆石壩各擬定了一個樞紐布置方案，如圖2，3所示。

上壩線大壩軸線較短，溢洪道開挖料上壩距離近，但引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪排沙洞和導流洞集中布置在河灣山脊，布置相對擁擠，基本無調(diào)整余度，施工組織難度大，引水發(fā)電隧洞、泄洪排沙洞和導流洞洞線均相較于下壩線要長。下壩線

樞紐布置壩線處地形均較開闊，地質(zhì)條件較簡單;溢洪道、發(fā)電建筑物不存在重大工程地質(zhì)問題，地形地質(zhì)條件相當。下壩線樞紐布置（方案一）充分利用了河流河灣地形布置建筑物，引水線路最短，但大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和泄洪排沙洞集中布置在河灣灣頭，布置較為緊湊，受河灣和下游左岸沖溝影響，調(diào)整余度小，右岸河灣地塊施工場地受溢洪道占壓影響，可利用面積較少;場內(nèi)道路與對外交通的聯(lián)系在溢洪道施工期有影響，開挖利用料運距較遠。

經(jīng)綜合比較，下壩線樞紐布置方案充分利用了河灣地形布置建筑物，引水線路最短，溢洪道斜穿山脊，其溢洪道與河道夾角較小，歸槽條件較好，出水位于廠房尾水下游，泄洪及沖刷淤積對電站的正常運行影響小，經(jīng)計算，下壩線工程量省，優(yōu)于上壩線。因此，推薦下壩線為該電站大壩的壩軸線。

3.2下壩線樞紐布置比選方案

在上述下壩線樞紐布置方案中，雖然發(fā)電引水隧洞、導流洞和泄洪排沙洞洞線短，但存在溢洪道與大壩距離遠，溢洪道開挖料上壩運輸距離遠等問題。為論證布置方案的合理性，進一步對樞紐布置方案進行調(diào)整，如圖4所示，具體為河床下壩線布置瀝青混凝土心墻堆石壩，右岸河灣地塊從上游至下游依次布置2條導流洞、2條泄洪排沙洞、引水發(fā)電建筑物和6個表孔溢洪道，其中2條泄洪排沙洞布置于電站進水口兩側(cè)。大壩上、下游布置全年擋水土石圍堰，采用導流洞和泄洪排沙洞聯(lián)合泄流的導流運用方式，溢洪道與大壩相鄰布置。

經(jīng)綜合比較，下壩線調(diào)整后的大壩與溢洪道集中布置方案主要區(qū)別在于溢洪道和引水發(fā)電系統(tǒng)的位置不同，泄洪排沙洞和導流洞布置亦隨之相應變化，二者工程量基本相當。但調(diào)整后的方案溢洪道出水位于廠房尾水上游，泄洪及沖刷淤積等均對電站的正常運行有影響，不利于工程的發(fā)電效益，不建議采用溢洪道出口在上游、電站廠房在下游的樞紐布置方案。

3.3下壩線樞紐布置方案優(yōu)化

根據(jù)上述方案比選可知，下壩線瀝青混凝土心墻壩與溢洪道分散布置的方案為較優(yōu)方案，在下壩線心墻壩方案一樞紐布置格局的基礎上，對樞紐布置方案進行了進一步的優(yōu)化研究工作，主要研究內(nèi)容包括：

（1） 對下壩線樞紐布置方案進一步優(yōu)化調(diào)整，包括將溢洪道控制段向下游移動，減小溢洪道軸線與下游原河道夾角以改善下泄水流歸槽條件;調(diào)整導流洞出口位置，以減少對卡洛特大橋的影響。原布置方案溢洪道軸線與下游河道夾角約為46°，與類似工程相比，泄洪角度偏大，為使溢洪道下游出流更順暢，調(diào)整溢洪道軸線與下游主河床軸線夾角為約35°，較原方案減小11°。在平面上，以溢洪道控制段壩軸線與天然地形線470 m等高線的交點作為溢洪道控制段布置的控制點，將方案一溢洪道控制段整體向下游移動，進一步減少溢洪道開挖。

（2） 在溢洪道引水渠內(nèi)側(cè)向布置電站進水口，將廠房位置整體向下游移動，縮短引水發(fā)電隧洞長度，取消電站引水隧洞調(diào)壓室;在溢洪道控制段布置泄洪排沙孔沖沙，取消泄洪排沙洞。

（3） 將導流洞出口布置于卡洛特橋下游，避免出口開挖中斷大橋交通，可保留卡洛特橋作為施工準備期交通用橋。

4推薦樞紐布置方案

根據(jù)壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件，在優(yōu)化調(diào)整后的下壩線樞紐布置基礎上，本著“安全可靠、經(jīng)濟合理、技術先進、風險可控”的設計原則，確定推薦的樞紐布置方案，如圖5所示。

（1） 利用溢洪道引水渠側(cè)向布置電站進水口，同時將廠房位置整體下移，以縮短引水隧洞長度，取消調(diào)壓室，降低了工程地質(zhì)風險，減少了工作面，更有利于施工布置。

（2） 在溢洪道控制段較低高程布置泄洪排沙孔，取消方案一的泄洪排沙洞，將電站進水口盡量靠近溢洪道表孔布置，排沙效果更優(yōu)，且進一步減少了地下洞室規(guī)模，降低了工程地質(zhì)風險。

為保證電站進水口“門前清”，考慮在電站進口位置，沿溢洪道引渠左邊線設置攔沙坎，進水塔以不挖470.00 m高程地形線為基準，與攔沙坎拉開一定距離保證水力過渡，同時縮短引水隧洞長度，取消調(diào)壓室。主廠房順地形線布置在卡洛特大橋上游約130 m處。

大壩上、下游圍堰布置基本不變，廠房尾水圍堰調(diào)整為預留巖埂型式;導流隧洞調(diào)整至廠房上游，由于新的樞紐布置取消泄洪排沙洞，改為泄洪排沙孔，導流期間無法利用，因此，導流隧洞由方案一的2條直徑13.8 m的圓形洞改為3條直徑12.5 m的圓形洞。

為滿足水庫降低水位排沙和廠房進水口“門前清”的要求，在溢洪道控制段設置泄洪排沙孔，按滿足庫水位446.00 m時下泄2 a一遇洪水洪峰流量（2 460 m3/s）進行設置。泄洪排沙孔可兼顧低水位泄洪排沙清庫和設置放空設施部分放空水庫兩方面的用途。溢洪道泄洪排沙孔緊鄰電站引水隧洞進水口布置，可確保拉沙效果。取消泄洪排沙洞后，施工工作面減少，施工條件較好。且電站主廠房永久交通可完全布置在右岸，避免了從左岸克什米爾地區(qū)繞行。

推薦樞紐布置方案擋水建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩方案，壩頂高程469.50 m，壩頂設1.20 m高防浪墻，墻頂高程470.50 m，壩頂寬度12 m，壩頂長度約456 m，大壩最大壩高95.50 m，上游和下游坡比均為1∶2.25，可研階段推薦上游圍堰和大壩結合的方案[8]。

在“幾”字型河灣地塊的右岸橫穿山脊布置泄洪消能建筑物，根據(jù)泄流能力計算，需設置6個泄洪表孔，孔口尺寸為14 m（寬）×22 m（高），表孔溢流堰頂高程為439.00 m;為確保電站進水口“門前清”并順利排除庫內(nèi)泥沙，在靠近電站進水口的壩段設2個泄洪排沙孔，排沙孔尺寸為9 m（寬）×10 m（高），排沙孔底板高程為423.00 m。溢洪道泄洪表孔和泄洪孔后接泄槽。兩孔泄洪排沙孔共用1個泄槽，6孔泄洪表孔分3個泄槽，每2孔共用一個泄槽，共分為4個區(qū)。泄槽軸線采用直線，與上游控制段的軸線相互垂直，設計泄槽底坡為4.5%。溢洪道各區(qū)的泄槽均采用挑流消能的方式，共設4個挑流鼻坎，除泄洪表孔右區(qū)挑流鼻坎采用半徑60 m，挑角30°的連續(xù)式挑流鼻坎外，其他各區(qū)鼻坎均采用扭鼻坎的型式。

引水發(fā)電建筑物采用岸邊引水式地面廠房，布置在右岸。4條引水隧洞內(nèi)徑9.5～7.9 m，長度為401～455 m，主廠房（包括安裝場）總尺寸為170.40 m×27.00 m×60.50 m（長×寬×高），總裝機720 MW，機組安裝高程382.50 m。

施工導流采用全年圍堰一次攔斷河床、導流隧洞泄流的導流方式。大壩上游圍堰頂部高程433.00 m，下游圍堰頂部高程405.50 m;在電站廠房尾水渠預留巖埂圍堰，第4年10月前按全年擋水圍堰設計，堰頂高程404.00 m，第4年10月將圍堰拆除至枯水期圍堰，堰頂高程392.50 m，待尾水渠施工完成后全部拆除;在溢洪道進水渠上游和下游消能區(qū)均預留巖梗作為圍堰，進口圍堰高程為434.50 m，消能區(qū)出口圍堰高程402.00 m，施工完成，上述圍堰均需拆除。

5泄洪消能、防沖和泥沙整體模型試驗

在卡洛特水電站樞紐布置設計中，消能、防沖和泥沙問題是最為核心的問題，為論證推薦的樞紐布置方案合理性，并為后續(xù)結構設計提供依據(jù)，卡洛特水電站樞紐布置設計研究中開展了樞紐布置1∶100水工整體模型試驗和1∶100泥沙整體模型試驗。

水工整體模型試驗成果表明：泄洪建筑物規(guī)模合適，溢洪道上游進水渠渠內(nèi)流速緩慢，水流平順，呈水庫型水流特性;表孔、泄洪排沙孔采用挑流消能;消能區(qū)采用混凝土護岸帶防淘墻的形式進行消能防護是可行的，泄洪對發(fā)電效益影響較小，整體泄洪消能布置可行。泥沙整體模型試驗成果表明：高水位條件下溢洪道的泄流能力受水庫淤積影響較小，沖淤平衡后溢洪道的泄流能力仍滿足要求。防沙排沙設施的布置和規(guī)模合適，可保證水庫必要的調(diào)節(jié)庫容和電站進水口“門前清”，基本實現(xiàn)運行期正常引水發(fā)電。經(jīng)模型試驗驗證，推薦的樞紐布置溢洪道泄洪消能整體布置方案是合理的。

6結 論

卡洛特水電站樞紐布置設計主要有以下幾方面顯著特點：

（1） 卡洛特水電站洪水峰高量大，溢洪道建基巖體巖性軟弱，抗沖能力差。樞紐布置設計中最關鍵的問題是合理確定泄洪消能建筑物的布置，宏觀樞紐布置方案均圍繞泄洪消能的需要和工程安全展開。

（2） 解決泥沙問題是樞紐布置設計的難點，經(jīng)充分論證，選擇溢洪道布置2孔泄洪排沙孔與電站進水口毗鄰的布置方案，利用汛期沖沙排沙的運用方式，可確保廠房進水口“門前清”，相較于泄洪排沙洞的方案，可節(jié)省工程直接投資，避免軟巖地質(zhì)條件成洞和排沙洞經(jīng)常沖沙運用造成的風險。

（3） 施工組織的科學設計，是樞紐布置設計中應關注的重點內(nèi)容，卡洛特水電站選擇溢洪道和瀝青混凝土心墻壩分散布置，引水發(fā)電系統(tǒng)和導流洞位于其間的樞紐布置方案，可兼顧經(jīng)濟性和施工組織合理性的要求。

（4） 導流隧洞、引水發(fā)電系統(tǒng)和溢洪道布置緊湊，均位于吉拉姆河右岸旁遮普省，便于運行期的維護和管理。

（5） 卡洛特水電站樞紐布置在設計選定方案后，經(jīng)過充分的整體模型試驗，各水工建筑物的水工模型試驗成果與設計是吻合的，驗證了樞紐布置設計的合理性。

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（編輯：黃文晉）