底栏栅坝在巴基斯坦水电站中的应用

谭立清，何忠富

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

1 工程概况

巴基斯坦Naltar水电站，位于巴基斯坦北部地区Gilgit市Naltar河中上游，是该河道梯级开发规划中的中梯级电站（上梯级和下梯级暂未开发），工程以发电为目的。枢纽主要建筑物由取水头部、沉砂池、输水渠道、电站前池、压力钢管、电站厂房、尾水渠、升压站、城区中心变电所、输电线路等部分组成。电站装机为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，单机引用流量1.75m3/s。

2 泥沙及地质

（1）泥沙。Naltar河是一个山区河流，98.00％的水都来源于山，河床和山谷都是由漂石、砾石和砂组成的。在低河段水流状况多数是紊流，悬移质主要受地貌结构的影响，泥沙来源于冰川、暴风雨的降雨，山体滑坡，坍坡和沟蚀。

根据巴基斯坦水电发展署对Naltar河推移质和悬移质实测数据分析，Naltar河年均推移质输送量为281万t，年均悬移质为315万t（均主要发生在汛期）。

（2）工程地质。坝址处呈不对称“U”谷，宽约30.00m（含左侧道路），左右岸山坡立陡，主河床覆盖层为第四纪冲洪积层，厚度约2.00～5.00m，由架空漂、卵石组成。

3 取水方案设计

根据河道地形、地质及泥沙条件，基本否定了无坝取水方式，工程最初设计重点考虑溢流坝结合冲沙闸、引水闸方案，该方案是比较常用的引水型式，具有可靠度高、运行方便，容易管理等特点。但在对河道推移质深入研究过程中发现，由于河道坡度陡，洪水时流速大，固体径流不仅量多，而且平均粒径很大，包括粗砂卵石以至大块石，原设计方案很容易在在引水闸和冲沙闸闸前形成大块石堆积，卵石填充，导致坝前库区会很快淤平，阻碍河道水流进入进水闸，影响引水流量，同时坡陡水急，大粒径卵石对冲砂闸门的撞击对工程也构成威胁，难以解决。

在对该地区河道引水式电站调研过程中发现，该地区引水头部普遍采用闸坝结合方式，在类似河道均存在上述缺陷，导致电站维护费用高，经常有电站停机现象。鉴于当地工程维护和管理水平，闸前堆石清理极为困难，采用闸坝结合方案难以满足工程要求。

利用底栏栅坝式取水方式，解决了大粒径卵石对冲砂闸门的撞击，部分漂石、卵石堆积于坝前，部分卵石、砂砾石冲向坝下游。钢制栅条有效的阻止粗大颗粒泥沙进入取水廊道，细小颗粒泥沙经沉砂池沉淀后，水质满足发电用水要求。底栏栅坝式取水头部与其它形式的取水渠首比较，具有布置容易、结构简单、施工方便、工程造价低、易于运用管理等优点。

4 底栏栅取水坝设计

（1）底栏栅坝布置。底栏栅坝坝址的选择，应结合地形、地质、水文等自然条件，为使廊道进水条件好，底栏栅坝轴线宜布置成垂直于天然主河流。该工程确定的底栏栅坝址两岸有较好岩体出露，经布置，坝全长17.00m，右坝头1.45m混凝土溢流堰体与岩体相连接，左坝头1.45m空心混凝土溢流堰体与挡土墙连接，底栏栅栅段长14.10m，坝顶高程为1 528.46m，最大坝高4.96m。坝上游设宽度为2.50m的浆砌石护底，下游设长度为10.00m的浆砌石护坦，浆砌石厚度为0.50m。底栏栅坝廊道宽3.00m，底栏栅坝廊道底坡由4段折线连接。水通过暗涵引至沉砂池，暗涵出口设有闸门。闸门采用两孔，孔口尺寸1.50m×1.50m，闸底板高程为1 523.74m；在闸门上方设闸门启闭机工作平台，工作平台高程为1 528.90m。

栏栅设计采用值：栅隙s=8.00mm；栅条宽度t=14.00mm；栅条高度h=40.00mm；底栏栅倾斜坡度i=0.25。

（2）水力计算。底栏栅坝泄洪采用有坎宽顶堰计算，工程选址河床高程1 527.000m，宽顶堰坎高1.460m。

经计算，设计流量143.00m3/s（P=2％）时：堰上水头H=2.785m；设计水位1 531.245m（P=2％）；校核流量192.20m3/s（P=0.5％），堰上水头H=3.350m，校核水位1 531.810m（P=0.5％）。

底栏栅廊道水力设计参照取水输水建筑物丛书《取水工程》，该设计廊道的流态采用无压，底栏栅进流流量采用E.A.札马林、B.B方捷耶夫的计算方法。栅栏宽度根据地形取14.00m，经计算，栏栅水平投影长度2.43m，考虑栏栅间隙堵塞，设计栏栅水平投影长度取3.00m。

廊道内水面曲线的计算，采用近似等流速法，为保证廊道内水流为无压状态，底栏栅底距水面留有0.30m的超高，底坡根据底栏栅侧槽水力计算和施工方便，采用4段折线连接。

该工程山区河床及河岸抗冲刷能力较大，底栏栅坝对河流过流影响相对较小，通过计算，收缩水深与临界水深相差不大，如果采用常规底流消能中的消力池，推移质可使它很快淤满，而不起作用；该工程采用的是下深防冲墙的形式，为减小管理维修的目的出发，不按设计抛石坑的方式（抛石坑设计洪水过后必须要恢复，如不恢复将危及工程），而是按天然河床颗粒来计算冲刷坑的深度，防冲墙均下至冲刷深度以下，以保安全。

渗流计算采用阻力系数法，经过计算，校核水位对应单宽渗流量为0.000 85m/s；出口渗透坡降为0.09，小于管涌型地基土破坏允许坡度0.20，底栏栅坝不过流时对应单宽渗流量为0.000 24m3/s，渗流损失0.004m3/s，河流最小流量Q=1.80m3/s。渗流损失相对较小，对引水量几乎没有影响，因此，未对基础进行防渗处理。坝体抗滑稳定和应力均满足设计要求。

5 实际应用

工程于2005年开工，2007年5月竣工发电，施工期间坝前通过一次洪水后基本被块石淤平，沉沙池内淤沙也较为严重。工程通过近3年的运行证明，利用底栏栅坝式取水方式很好的解决了推移质对引水的影响，同时利用推移质卵石对栏栅的碰撞，可减少和排除堵塞底栏栅的漂浮物和卡石，从而达到引水防漂防沙的目的。

通过对沉沙池运行监测，证明了沉沙池设置的必要性，减轻了电站前池淤积压力。经现场管理人员反映，电站运行良好，底栏栅引用流量在平水期间能够同时满足发电和冲沙需求，取水头部基本可以达到无人值守。

6 存在问题

在工程度汛期间，由于超设计尺寸的巨形块石滚落，造成栏栅栅条局部破坏，整体翘曲，同时，高流速夹粗粒径卵石对混凝土坝面破损较为严重，局部保护层（0.10m厚）破坏，后又采用钢板保护。

［1］宋祖诏，张思俊，詹美礼.取水工程［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.

［2］李 炜，徐孝平.水利学［M］.武汉：武汉水利电力大学出版社.