巴基斯坦汗華水電站工程大壩設計

郭西方 李淑紅 李婭

巴基斯坦汗華水電站工程大壩設計

郭西方 李淑紅 李婭

汗華水電站是巴基斯坦一項高水頭、長隧洞的引水式水電站工程，大壩壩高49 m，為混凝土重力壩，共設左右岸坡壩段、底孔壩段和表孔壩段等5個壩段。大壩設置4個底孔、1個表孔，液壓啟閉機控制閘門，過流面分別采用鋼板或抗沖磨混凝土防護措施，下游采用逆坡消力池底流消能。

混凝土重力壩 逆坡消力池 抗沖磨設計 汗華水電站工程

汗華水電站工程位于巴基斯坦開伯爾-普赫圖赫瓦?。ㄔ鞅边吘呈。㊣ndus Swat區，工程由混凝土重力壩、引水系統、調壓井、發電廠房、尾水建筑物和開關站等組成，主要任務為發電，是一項高水頭、長隧洞的引水式電站工程。壩址以上流域面積673 km2。大壩位于印度河右岸支流Khan Khwar河上，最大壩高49.0 m，壩頂長106.1 m，壩頂高程829.0 m；水庫最高運行水位825.0 m，總庫容約105萬m3，有效庫容40萬m3；引水系統包括引水隧洞、壓力豎井和壓力隧洞，總長5 144 m，內徑為3.85～3.00 m，設計引水流量35 m3/s；廠房位于印度河右岸Besham鎮附近，采用地下水輪發電機豎井和地面主副廠房相結合的半地下式結構型式，安裝2臺34.25 MW的立軸混流式發電機組和1臺3.65 MW的沖擊式輔助發電機組，總裝機容量72.15 MW，設計發電總水頭254 m。

大壩共設5個壩段，河床中間布置表孔壩段，兩側各布置1個底孔壩段，通過岸坡壩段與左右岸壩肩連接。電站進水口采用岸塔式，布置于緊靠大壩的上游右岸。表孔壩段長18.0 m，底孔壩段長21.0 m，左、右岸岸坡壩段長22.4 m和23.7 m。平面布置見圖1。

1 壩址工程地質

圖1 大壩平面布置圖（單位：m）

壩址區河谷狹窄曲折，流向NE55°，呈不對稱V形，谷底寬70～75 m，主河道寬約20 m，河床高程約800 m。壩址處河道天然坡度大于2%，兩岸山體高聳，邊坡陡立。

壩線附近出露地層為第四系漫灘相沖積砂卵礫石層和坡積碎石土組成的松散堆積覆蓋層及Karora組巖層，沒有大的活動斷層，地下水情況正常。Karora組地層巖性以云母片巖和石墨千枚巖為主，河床上部及兩岸出露的基巖巖性為石英云母片巖；石墨千枚巖分布位置較深，KD7號孔垂直埋藏深度約24 m。河床部位主要分布沖積砂卵礫石層，坡積碎石土僅分布在右岸，厚度一般為2～5 m，均可予以挖除，混凝土重力壩可直接坐落于基巖上。

壩線兩岸基巖裸露，片理產狀近南北向，發育裂隙主要有NW組、NE組，傾角一般大于40°，未發現不利結構面組合，初步判斷邊坡整體穩定性較好。

2 大壩結構布置

2.1 表孔壩段設計

表孔主要承擔泄洪、排污任務，布置于河床中部。表孔壩段長18.0 m，設1孔凈寬13.0 m的開敞式溢流表孔，兩側邊墩厚度均為2.5 m，墩頭采用半徑為2.0 m圓弧曲線，堰頂高程為813.0 m。表孔堰頂上游段堰面曲線為兩段圓弧，與上游鉛直面相接，其半徑分別為2.2 m和5.5 m。下游段堰面采用WES曲線（方程為y＝0.065 13x1.85），下接坡度為1∶1.1的斜坡段，其后反弧段半徑為20.0 m，后接坡度為1∶15的逆坡式消力池。

表孔壩段上游面采用折面，高程795.0 m平臺至808.5 m采用坡度為1∶0.2的斜面，高程808.5 m至上部溢流面圓弧段為鉛直面。溢流孔口上部設寬為10.8 m的壩頂交通橋，橋面高程829.0 m。表孔堰頂設帶舌瓣門的弧形鋼閘門（13 m×12 m，寬×高）和疊梁檢修閘門各1道，疊梁檢修閘門由壩頂單向門機啟閉；弧形閘門及其上的舌瓣門由2臺液壓啟閉機各自操控。庫水位為825.0 m時，表孔泄流量為1 091 m3/s。

2.2 底孔壩段設計

底孔主要承擔泄洪、排沙任務。2個底孔壩段對稱布置于表孔壩段兩側，均長21.0 m，每個壩段布置2孔，共4孔，孔口尺寸6 m×7 m（寬×高），中墩厚3.5 m，靠表孔側邊墩厚2.5 m，靠岸坡壩段側邊墩厚3.0 m。底孔進口底坎高程801.0 m，高于原河床約1.0 m，低于電站進水口8.0 m，以利于沖排水庫近壩的淤積泥沙，維持有效庫容，形成沖沙漏斗，實現電站進水口的門前清。

底孔采用壓力短管式布置，進口頂部采用橢圓曲線，其方程為x2/7.82+y2/2.62＝1，側面亦采用橢圓曲線，方程為x2/2.252+y2/1.52＝1，下緣采用圓弧曲線，半徑為2.0 m?？卓陧敳繅浩露我圆划a生負壓為原則，坡度取1∶4。底孔底部自上游至下游依次為圓弧段、水平段、拋物線段（方程為y＝0.010 4x2）、斜坡段（坡度為1∶1.8）和反弧段（半徑20.0 m），后接坡度為1∶15的逆坡式消力池。

底孔壩段上游面采用折面，折坡點高程801.0 m，斜面坡比1∶0.2，與表孔壩段上游面相協調，上部為鉛直面。壩頂高程829.0 m，寬10.8 m。底孔設弧形鋼閘門和疊梁檢修閘門各1道，疊梁檢修閘門由壩頂單向門機啟閉，弧形鋼閘門由搖擺式液壓啟閉機控制，啟閉機安裝在閘門上部820.5 m的操作平臺上。庫水位為825.0 m時，單個底孔泄流量為674 m3/s，4個底孔泄流量為2 696 m3/s，與表孔聯合運用，可滿足工程運行要求。

2.3 岸坡壩段設計

2個岸坡壩段均布置在底孔壩段外側，左岸壩段壩頂長22.4 m，右岸壩段壩頂長23.7 m，壩頂寬16.0 m。岸坡壩段均設置疊梁檢修閘門庫和樓梯井。

3 大壩設計特點

3.1 洪水標準及設計要求

根據汗華水電站工程的水庫總庫容和電站裝機容量指標，按照國內規范，相當于三等中型工程，其主要建筑物的級別為3級，設計洪水重現期為50～100年（P＝2%～1%），校核洪水重現期為500～1 000年（P＝0.2%～0.1%）；如洪水漫頂將造成極嚴重的損失時，1級（非2、3級）建筑物的校核洪水標準，經過專門論證并報主管部門批準，可取可能最大洪水（PMF）或重現期10 000年。

根據合同要求，汗華水電站工程大壩正常運行洪水重現期為100年（P＝1%），流量為2 667 m3/s；非常運行為1 000年（P＝0.1%），洪峰流量為3 750 m3/s；極端運行工況為10 000年（P＝0.01%），洪峰流量為4 900 m3/s。對比國內規范要求，汗華工程的洪水標準為同檔中最高或超高。

本工程的設計要求為：在最高運行水位825.0 m時，表孔和底孔的閘門全部開啟，能安全下泄1 000年一遇洪水；1個表孔或1個底孔的閘門發生事故不能正常開啟時，能安全下泄100年一遇洪水；遭遇10 000年一遇洪水時，4個底孔閘門全部不能開啟，此時允許表孔閘門毀壞和洪水漫頂，但仍需保證大壩穩定。

3.2 大壩穩定安全分析

3.2.1 大壩穩定安全計算工況

根據SL 319—2005《混凝土重力壩設計規范》規定，作用在重力壩上的荷載分為基本荷載和特殊荷載，根據各種荷載同時作用的實際可能性，分為基本組合和特殊組合，各選擇其中的最不利的荷載組合來確定計算工況。

根據標書要求，本工程除滿足上述荷載的正常運行（即基本組合）和非常運行（即特殊組合）的大壩穩定安全要求外，還需滿足極端運行工況的大壩穩定安全要求，即遭遇10 000年一遇洪水工況和最大設計地震（MDE）工況。

3.2.2 大壩穩定安全系數要求

根據規范SL 319—2005規定，3級大壩的穩定安全系數基本組合為1.05，特殊組合(1)和(2)為1.00。

根據標書要求，本工程大壩正常運行工況的穩定安全系數為1.5，非常運行工況為1.3，極端運行工況為1.0。故大壩穩定安全系數超出國內規范規定。

3.2.3 大壩穩定安全分析

根據壩址處的地質條件和建基高程，詳細設計階段壩基摩擦系數取0.60，大壩體形設計和穩定分析報告獲得了咨詢工程師的批準。施工圖設計時，特別是2005年10月南亞7.6級大地震后，咨詢工程師認為標書確定的工程運行基本地震加速度（OBE）即0.15g及最大設計地震加速度（MDE）即0.25g偏小，為確保工程運行安全，結合補充地質勘察試驗成果，壩基摩擦系數確定為0.45。

為達到標書規定的各運行工況下的穩定安全系數，對壩體體形作了較大修改，壩踵建基高程由786.0 m深挖至780.0 m，壩趾建基高程根據表孔和底孔過流面結構要求，保持783.0 m高程不變，形成一傾向上游的潛在滑動面，利用上游水重和壩體自重在傾斜滑動面上的抗滑分力，來平衡水壓力對壩體產生的部分滑動分力。為便于壩踵基礎開挖施工，利用上游水重增加壩體抗滑穩定，在壩前795.0 m高程形成寬12.6 m平臺。經此體形修改后，基本滿足標書規定的穩定安全系數要求。

3.3 下游消能工設計

根據壩址處的地質條件，本工程采用底流消能方式，經計算，池底高程為789.0 m的平底消力池，自由水躍長度達95 m，池長需76 m。因受消力池段地形限制，需縮短消力池長度才能滿足布置要求，招標階段建議采用逆坡消力池。根據有關資料，逆坡消力池可有效減小躍后水深，縮短水躍長度，從而縮短消力池長度，滿足布置要求，同時節省投資，因此最終采用逆坡消力池。

消力池寬度為54.0 m，池底最低高程為789.0 m，尾坎頂高程為796.0 m，最大池深為7.0 m，逆坡坡度為1∶15即i＝0.067，尾坎為1∶1.5逆坡式挑流鼻坎，以便于排除池內泥沙。計算結果為：逆坡水躍長度84 m，消力池池長為59～67 m；根據水工模型試驗成果，消力池池長為60 m。為防止出池水流沖淘消力池底板，尾坎下設置一深4.0 m的齒墻。

為滿足抗浮穩定要求，消力池底板采取加大底板分塊尺寸、增加底板厚度、設置抗浮錨筋、基巖面設置縱橫向排水暗溝、塊間與邊墻均設置抗剪鍵槽等綜合措施。消力池底板縱向分成3塊，長度分別為21.0、21.0、17.8 m，橫向寬20.0 m；首塊底板加厚到4.0 m，并設置間排距1.5 m錨入巖體4.7 m的200 kN錨筋，后2塊厚度為3.0 m，設置間排距2.0 m錨入巖體3.1 m的200 kN錨筋，錨筋交錯伸入底板抗沖磨層混凝土中，并與頂層鋼筋網焊接，以使底板混凝土與下部巖體共同抵抗浮力的作用；底板下基巖面布置間距10.0 m的10道橫向和2道縱向排水暗溝，經預埋管道排入壩體集水井。

3.4 抗沖磨設計

在庫水位825.00 m正常泄洪時，底孔壓力短管出口流速約為16.0 m/s，反弧段最大流速約為23.5 m/s；表孔反弧段最大流速約為24.0 m/s。本工程壩址處汛期水流泥沙含量較高，泄流時高速水流攜帶的泥沙和（或）灌木樹枝等污物沖磨溢流面，撞擊消力池尾坎。為保證工程的正常安全運行，減輕泥沙的磨蝕危害，對表孔、底孔溢流堰面及消力池底板頂面、側面和尾坎進行抗沖磨防護。根據泥沙種類、含量、流速和部位等要素的不同，對泄水建筑物過流面分別采取鋼板襯護和澆筑抗沖磨混凝土等防護措施。

表孔過流面、消力池底板及邊墻表層（高程796.00 m以下）等部位采用E級特別高強耐磨混凝土，其主要控制指標為：28 d圓柱體特性抗壓強度為50 MPa，額定最大骨料粒徑為25 mm，水灰比不大于0.4，28 d抗沖磨強度為1.2～1.5 h/（kg· m2）。表孔過流面一期混凝土預留臺階，為防止二期抗沖磨混凝土發生應力集中，對臺階尖角做削角處理，抗沖磨混凝土厚度不小于0.6 m，堰頂部位和反弧段厚度不小于0.8 m，消力池底板及邊墻表層抗沖磨混凝土厚度為0.6 m。對表孔過流面可采用滑模施工。

底孔作為主要的泄流排沙建筑物，為減輕大粒徑漂石撞擊造成的危害，底孔孔口底部表面及側壁下部、閘門后堰面表面、消力池尾坎表面均采用鋼板襯護。鋼板采用Q235B結構鋼，厚度為30 mm，設有鋼肋板及槽鋼支撐，以加強鋼板剛度，防止鋼板在吊裝、回填二期混凝土及灌漿施工過程中產生的有害變形，槽鋼與一期混凝土中的預留錨板焊接。為方便施工，一期混凝土預留臺階與鋼板間預留約為0.8 m的高度。施工順序為，先安裝側壁鋼板，焊接完成后再安裝底部鋼板。底部鋼板適當部位預留直徑分別為0.5 m的進人口、0.2 m的混凝土澆注孔及0.025 m的灌漿孔，待澆完二期混凝土后用環氧混凝土回填找平，再用鋼板焊平磨光。

4 結語

汗華水電站工程是按照合同規定的國際通用規范和標準進行設計的，設計圖紙和支撐性文件能否順利通過咨詢工程師的批準，直接影響工程進度和承包商的利益。工程于2005年1月開工建設，2010年10月1日下閘蓄水，11月并網發電，2012年7月14日竣工移交巴方。

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