巴基斯坦纳塔尔水电站取水建筑物的设计与施工

巴基斯坦纳塔尔水电站取水建筑物的设计与施工摘要：巴基斯坦纳塔尔水电站，位于巴基斯坦北部地区，是以发电为目的的水利水电枢纽工程，电站安装3台单机容量6MW的卧式冲击式水轮发电机组，总装机容量18MW。取水建筑物由闸坝式改为溢流式底栏栅坝、底栏栅出口设沉砂池，有效地解决了山区河流落差大、坝前淤积严重，取水口易被堵塞的问题。关键词：水电站；取水建筑物；设计；施工中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：1、工程概况纳塔尔水电站位于巴基斯坦北部地区吉尔吉特市纳塔尔峡谷的流域内。水电站工程主要建筑物由底栏栅坝、沉砂池、引水钢管、引水渠道、电站前池、压力钢管、电站厂房、尾水渠、升压站、中心变电站、输电线路等组成。电站安装3台单机容量6MW的卧式冲击式水轮发电机组，总装机容量18MW，单台机组额定流量1.73m3/s.。纳塔尔峡谷呈不对称“U”型谷，峡谷两岸均为陡坡，峡谷内的纳塔尔河落差大，河面窄，水流湍急，属于山区河流，河流水源主要来自纳塔尔上游的高山积雪融水，雨季因降雨常产生洪水、泥石流。2、取水建筑物的选择及总布置第5页共5页 由于纳塔尔河落差大，河面窄，水流湍急，尤其是汛期，湍急的洪水带有大量泥沙，同时伴有大量砾石、块石等推移质，一场洪水即可将闸坝於满，通用的闸式取水口常被重达几吨甚至十几吨的大块石於、堵，这样大的石块很难靠水力清除，只能采用机械清理，经常造成取水口不能正常工作，为此，经多方面比较，将原设计的闸坝取水方式改为溢流式底栏栅坝。底栏栅坝布置在纳塔尔河上游峡谷段，坝轴线垂直于主河道，横贯全河床布置，右岸为与山体相接，左岸与挡土墙相接。沉砂池布置在底栏栅坝弯涵段下游，为钢筋混凝土结构，池底设置两处排砂廊道，泥砂通过排砂道排入下游河道，排砂孔由两扇铸铁闸门控制。在沉砂池出口设置一溢流侧堰，溢流消能采用跌水式，溢流经过跌水消能后进入下游河道，具体布置见附图“纳塔尔电站取水建筑物布置图”。3、底栏栅坝结构形式根据选定的底栏栅坝坝址，结合地形、地质、水文等自然条件，底栏栅坝轴线布置成垂直于天然主河道。底栏栅坝全长17.00m，右坝头与山体连接，留有1.45m实心混凝土溢流堰体，左坝头与挡土墙连接，留有1.45m空心混凝土溢流堰体，最大坝高4.96m。坝上游设宽度为2.5m的浆砌石护底，下游设宽度为10m的混凝土护坦。底栏栅坝段长14.10m，底栏栅坝廊道宽3.00m，底栏栅坝廊道底坡由4段折线连接。水通过暗涵引至沉沙池，并设有闸门。闸门采用两孔，孔口尺寸为1.50m×1.50m，在闸门上方设工作平台，枢纽段河道左岸采用重力式浆砌石挡墙，直线段挡墙插入坡岸。4、底栏栅进流计算第5页共5页 当水流流经栏栅时，一部分水流由栏栅间隙流入廊道，另一部分仍沿水流方向流向下游。这两种水流互相制约，使栅顶流态较为复杂。底栏栅进流量的大小与廊道的流态有关，本工程设计廊道的流态采用无压。底栏栅进入廊道的流量按下式计算：经过叠代计算得需要的栏栅水平投影长度b=2.43，考虑栏栅间隙堵塞，实际采用长度比计算长度大25％，最后取栏栅水平投影长度b=3m，能够满足取水流量不低于13.50m3/s的排沙及6.24m3/s的引水流量要求。5、沉砂池的结构型式及主要设计参数根据坝址枢纽区地形、地质条件，左岸地势较开阔，满足沉砂池布置，沉砂池布置在枢纽附近也有利于工程运行、管理，综合比较后，沉砂池与引水渠道布置如下：底拦栅溢流堰出水廊道经转角90º后与沉砂池进水闸相接，沉砂池进水闸孔口尺寸为1.5m×1.5m两孔，闸顶设工作平台，闸门为铸铁闸门，沉砂池总长为80m，首先为20m长的扩散段，扩散段后面为50m长的沉砂池工作段厢体，工作段最大水深4.50m，工作段净宽度为10.0m，池底分别设置两处排砂廊道，排砂廊道出口设1孔1.5m×1.5m的排砂底孔，砂通过排砂道排入下游河道，排砂底孔由铸铁闸门控制。沉砂池出口以半径R=10.00m收缩后与埋设钢管连接，沉砂池收缩弧段中部为排泄多余洪水，设置一宽度为5.0的溢流侧堰，溢流侧堰轴线与沉砂池纵轴线夹角为45.00º，溢流消能采用跌水式，溢流经过跌水消能后进入下游河道。沉砂池工程设计参数如下：第5页共5页 a)水文及泥砂，实测悬移质最大含砂量0.02%，其颗粒分配曲线由于没有实测料，设计中参考已成工程资料，并在沉砂池的沉降设计中采用了最大的泥砂含量值；b)水电站工作前池设计引用流量5.19m3/s；加大引用流量6.24m3/s；c)沉砂池泥砂沉降设计标准；根据水电站的额定水头，确定沉砂池设计的最小沉降粒径标准为0.2mm。大于等于设计粒径的泥砂沉降率取80～85％。6、工程应用效果及几点经验本工程由于汛期遇洪水时漂石、块石较多，一场较大的洪水就能把坝前淤满，淤积的石块及泥沙处理相当困难，采取底栏栅取水，当泥沙把坝前全部淤满后，泥沙经过溢流坝顶时，大于栅隙粒径的砾石随水流排向下游，小于栅隙粒径的砾石及泥沙随水流进入廊道，经进水闸进入沉砂池进行沉沙处理，即有效地解决了淤积物清理困难的问题，又能保证在枯水期将河水全部引入沉砂池，有效地保证了水资源的充分利用。在本工程运行过程中，总结了以下几方面经验：1、矩形底栏栅栅条间隙易被条形石块堵塞，栅条若改成“T”字形能够有效地解决此问题。第5页共5页 2、纳塔尔河道坡度很大，汛期水流湍急并携带大量大块石，对坝体及下游护坦产生很大的冲击力，使混凝土遭受破坏；同时，由于工程处于寒冷地区，冬季河水流量很小，水流不能完全覆盖坝体及下游护坦，大部分坝体及护坦表面在冬季处于裸露状态，使混凝土冻融次数明显增加，为解决此问题，坝体混凝土强度以不低于30MPa为宜；护坦应混就地取材，将混凝土护坦改为抛石混凝土护坦，以不小于800mm的卵石为主，石缝间灌入强度不低于30MPa的混凝土。3、汛期沉砂池排沙量很大，为有效排沙，排沙廊道底板应向排沙闸方向有一定坡度.7、结束语纳塔尔取水枢纽采用了底栏栅型式取水，解决了山区河流泥沙和推移质较多而产生於堵的问题；廊道后接沉砂池，在泥沙含量多时起到了很好的排沙作用。在溢流坝上设置取水廊道是一种非常合理的坝型，布局合理，结构新颖，节省投资，适合于在我国广大的山区推广使用。作者：王立明男工程师辽宁省大伙房水库输水工程建设局第5页共5页