老挝南屯2电站调节坝创新型溢洪道设计

[老挝] D.帕齐尼 等



老挝南屯2电站调节坝创新型溢洪道设计

[老挝] D.帕齐尼 等

2011年洪水事件之后，有关机构对南屯河流域的水文资料进行了复核更新，修正了南屯2水电站的洪水峰值，以避免在特大洪水和极端条件下，坝体结构失稳，危及下游安全并造成损失。提出了新建一条溢洪道，且通过比选决定采用自由流溢洪道方案。简要介绍了南屯2水电站的概况及相关背景，对新建溢洪道的方案比选、设计特点和植被选择作了阐述，并明确了在溢洪道建设期间应注意的相关问题。

溢洪道；防洪；水电站；老挝

南屯2水电站调节坝位于南屯(Nam Khatang)河上，用来调节从厂房尾水出口到下游河道的水流流量，从而保持南屯河的自然流量。2011年洪水事件之后，有关机构对南屯河流域的水文资料开展了复核更新等研究，将南屯2水电站的10 000 a一遇洪水峰值从1 500 m3/s 修正为2 060 m3/s，而这个流量超过了现有溢洪道闸门的最大允许泄洪流量，因此提出新建一条溢洪道的方案。

综合考虑项目预算和施工干扰(施工期间电站正常运行)等因素，一种创新型溢洪道(置于土石坝段坝顶)设计应运而生。该溢洪道的上游部分(15%)由抛石作防护，下游部分(85%)采用百慕大草和岩兰草等防腐蚀植被进行防护。

该溢洪道工程投资 750万美元，于2014年9月开工，2015年7月完工，经历了整个旱季。遵照南屯电力公司(NTPC)政策标准，解决了一系列环保和社会民生问题。

1 工程概况

1.1 南屯2水电站

南屯2水电站位于老挝境内的甘蒙(Kammouane)省和博利坎赛(Bolikhamsay)省交界处，湄公河与安南(Annamite)山脉之间。该电站在纳卡(Nakai)高原将南屯河谷改道至邦非(Xe Ban Fai)平原，利用高原与平原之间的350 m水头落差进行发电。

电站主要建筑物包括一座高39 m的碾压混凝土坝、一条引水隧洞和一条通风井。水库库容为3 500×106m3。电站装机容量为1 070 MW，包括4台混流式水轮机组和2台冲击式水轮机组。尾水通过尾水渠排入调节池(位于南屯河床内)。

调节池由调节坝控制，水流通过调节坝排放至南屯河(为保持自然河水流量)或一条长27 km的下游渠道，水流通过渠道(最大允许流量315 m3/s)汇入邦非河，最终汇入湄公河。修建新溢洪道前的调节池如图1所示。

图1 修建新溢洪道前的调节池

南屯2电站的配套设施还包括一条长140 km、由湄公河输往泰国的500 kV双回路输电线路。

1.2 调节坝

水电站调节池正常运行库容为8×106m3(高程178 m)，最高水位库容为10.7×106m3(高程179.5 m)。坝体长度260 m，其中右侧130 m为混凝土坝段，左侧130 m为土石坝段。位于土石坝下游的一个巨大平台用来处置建筑废料。

调节坝的混凝土坝段安装了8扇闸门。其中5扇溢洪道闸门将集水区的自然来流排放至南屯河。新建溢洪道之前，这5扇溢洪道闸门的最大排放流量为1 345 m3/s。另外3扇溢洪道闸门将厂房尾水排放至下游河道。洪水期间，发电机将停止工作，而采用这3扇闸门来排放高达330 m3/s的自然来流，以削弱南屯平原的自然洪水。

调节坝8扇闸门同时开启时，最大排放量为1 660 m3/s，按照最初的水文资料，10 000 a一遇的洪峰流量为1 500 m3/s，现有调节坝可足够应对10 000 a一遇洪水。

1.3 2011年洪水事件

2011年8月，强热带风暴洛坦袭击了南屯河流域， 在现有调节坝附近形成洪水，洪峰泄流量超过了1 300 m3/s。虽然调节坝经受住了此次洪水考验，但如此高的洪峰(相当于5 000 a一遇)还是引起了有关机构对于两个数值间相关性的关注，即此次观测到的洪水峰值和2004年南屯2水电站设计时计算出的特大洪水值。2011年洪水之后南屯河的水文数据修正结果，如表1所示。

表1 2011年洪水之后南屯河的水文数据修正结果m3/s

南屯2水电公司决定开展两项针对调节坝集水区的独立研究。采用了更多2004～2012年间的降雨和径流量数据，同时对集水区面积进行了重新评估，将其从最初的90 km2调整为120 km2。

就洪峰值和水位曲线图(洪水历时10 h，流量40×106m3)而言，两项研究结果较吻合。采用更新后的水文数据进行模拟，结果显示在某些特大洪水和极端条件下，坝体结构会有危及下游安全并造成损失的风险，包括大坝维修期间导致的发电损失。因此，南屯电力公司决定再新建一座溢洪道。

2 新建溢洪道设计

2.1 方案比选

设计部门同时考虑了几种方案，目的是将调节坝的排放量增加560 m3/s。考虑到坝体的几何结构和右岸沿坡公路现状，新建溢洪道选择建在土石坝上。

设计部门分别从投资、工期以及对现有调节池的运行影响3个方面，对比分析了以下3种技术方案： ①新建一条带铰链式闸门的溢洪道； ②新建一条带抛石防护渠道的自由流溢洪道； ③新建一条带植被防护渠道的自由流溢洪道。

在10 000 a一遇洪水工况下，新建溢洪道流量和调节池水位关系模拟曲线示意如图2所示。

图2 新建溢洪道流量和调节池水位关系模拟曲线示意

图3 自由流溢洪道平面示意

通过对比，最终选择了带植被防护渠道的自由流溢洪道。在该创新性方案中，充分利用了土坝的长度和巨大的填土平台，用以保护土石坝以防侵蚀。在这种特殊环境下，通过成本效益分析，溢洪道渠道植被防护方案优于抛石防护方案。

闸控溢洪道方案的落选原因是施工期间需要降低调节池的水位，会影响水库运行很长一段时间。另外，自由流溢洪道的维护成本较低，相对闸控溢洪道也更加安全。自由流溢洪道平面和剖面示意分别见图3～4。

图4 自由流溢洪道典型剖面示意

2.2 设计特点

2.2.1 设计原则

新建溢洪道的设计主要遵循以下原则。

(1) 溢洪道宽度尽量大，以最大限度增加泄洪量。

(2) 确定溢洪道坝顶高程时，要考虑避免正常运行条件下调节池的溢流问题。正常蓄水位(FSL)下，坝顶高程设计为178.05 m，仅包含5 cm的自由度。

(3) 溢洪道的纵坡设计需满足： ①除了与南屯河的交界区域外，保证高速水流和可能出现的湍流或水跃位于抛石混凝土区域内；② 除了与南屯河的交界区域外，保证低速水流位于溢洪道内。

(4) 在渠道左岸新增横坡，以便使雨水径流或低速水流直接流至渠道左侧，进而经下游汇入南屯河。由于坝体附近经常出现高速水流和湍流，这样做的目的是尽可能使高速水流和湍流远离现有大坝，避免坝体附近区域(已进行抛石防护)遭到破坏。

(5) 部分坝段由抛石混凝土进行防护。在“硬表面”(抛石混凝土)和“软表面”(植被)之间有一过渡区域，区域内铺设柔性雷诺护垫和散抛石，目的是避免过渡区内的潜在侵蚀影响到土石坝。

采用水力学一维模型(1D)和Fudda-Mascaret软件，对自由流溢洪道的水力学性能进行深入模型研究，以确保发生特大洪水时，大坝不会发生漫顶而能安全应对。研究结果表明，如果自由流溢洪道长度和顶部高程分别设为265 m和178.05 m，在发生10 000 a一遇洪水时，调节池的最高水位低于179.50 m，且有50 cm的浮动空间。同时也对其中一个闸门不可用的情况下， 发生5 000 a一遇的洪水时，进行了自由流溢洪道运行测试。

2.2.2 设计步骤

根据设计原则和水力学计算结果，该条长265m的自由流溢洪道详细设计具体如下(从上游至下游)。

(1) 在土工布上设置长 8.30 m、厚60 cm的水平抛石(W50=70 kg)防护层。

(2) 设置钢筋混凝土梁(宽 0.5 m×高1 m)形成高程 178.05的顶部岩坎，目的是防止土石坝渗漏以及确定精确的坝顶高度。

(3) 在土工布上设置长28 m的抛石(W50=50 kg)混凝土防护层，厚度在0.6 ～1 m之间变化，纵坡坡度为5%。

(4) 设置一条长10 m的雷诺石笼护垫防护层(厚 0.30 m)。

(5) 在沟渠内设置一条长6.50 m的抛石(W50=50 kg)防护层，厚度在 0.5～1.5 m之间，置于土工布层上。

(6) 设置面积 7.5 hm2的缓坡溢洪道，从右岸到左岸坡度在 0.15%至0.30%之间变化。区域内覆盖10 cm厚的表土，表土上部进行植被防护。可在溢洪道河床部位种植百慕大草(撒哈拉种类)或在其两边横坡种植岩兰草(宋卡黎逸种类)。

(7) 溢洪道出口设置在和南屯河交界处，由岩兰草防护的斜坡(坡度1∶3)和一个平坦平台组成。

2.3 植被选择

由于该溢洪道规模较大(宽250 m、长300 m)，因此除常规抛石或混凝土之外，还考虑了既经济又耐用的渠道防护方案。

考虑到渠道特点，包括近水平渠道、水流最大流速(2.4 m/s)以及抗腐蚀土壤等条件，经检阅文献，预选了百慕大草和巴荷芽草作为抗水流侵蚀的植物。

充分比较后，最终选择了百慕大草(狗牙根草)，当地称为Ya Phaek。因为该草已经在该地区生长，并较好地适应了其气候和现场条件。另外百慕大草生成速度快，根茎系统发达，能承受连续的洪水，以及悬浮沉积物和大尺寸土颗粒的磨损。各种植被防护溢洪道的容许流速见表2。

表2 各种植被防护溢洪道的容许流速 m/s

溢洪道岸坡和出口均有一个陡坡，不仅要防止渗漏，还要预防每年的径流磨损。岩兰草被选中是因为其根系很深，且抗剪强度高。2012年，就已选中岩兰草(宋卡黎逸种类)，用于调节池旁边500 kV输电线塔护坡。在这次考察中，又发现了该草的经济性和高抗性，尤其是在旱季无灌溉的情况下突显其特性。

3 建设阶段

3.1 合 同

除了考虑报价和工程质量外，新建溢洪道承包商的选择还需考虑以下条件。

(1) 工期进度。所有工程必须在一个旱季完成，即11月中旬至次年6月中旬。

(2) 担保。合同必须明确南屯电力公司对工程项目任何潜在的缺陷有整改权。

通过谈判，南屯电力公司最终选择了南屯2项目的土建承包商作为新建溢洪道项目的承包商， EDF公司作为业主工程师。承包商合同基于FIDIC红皮书，监理工程师合同基于FIDIC白皮书，两项合同总价为750万美元。

3.2 工期进度

雨季施工是该项目面临的主要挑战之一，施工进度须适应降雨带来的时间限制。项目实施期间，除了大坝安全和人工安全外，还包括村民到南屯河左岸的通行问题及植被种植等干扰因素。

为解决左岸弃渣运至右岸弃渣场问题，专门在南屯河上修建了临时通道，每天约有100～130次的卡车往返，有效避免了坝顶交通堵塞问题。根据2010～2013年旱季南屯河最大自然流量记录，自然流量的最大值在15 m3/s(11月)和40 m3/s(5月)之间，6月达到355 m3/s。由于临时通道的过流设计标准为20 m3/s，因此土方工程的施工时间就限制在11月中旬至次年5月中旬。

植被工程的目标是在2016年5月末开始种植岩兰草等植被，以便能赶上首次降雨，同时避免昂贵的灌溉费用和草种被后期大雨冲走的风险。

3.3 工程量

项目主要工程量如下：

挖方量 262 000 m3

废料处置 243 000 m3

抛石 13 000 m3

抛石混凝土 8 000 m3

雷诺护垫 950 m3

混凝土 5 700 m3

植被工程 75 000 m3

岩兰草 150 000株

百慕大草籽 750 kg

石灰 15 t

有机肥料 37 t

3.4 质量控制

在质量控制计划中，重点关注了以下两个方面的问题。

(1) 在易发生水跃的位置。设置厚度为1 m的抛石混凝土层。该措施在抛石间隙完全充填混凝土时才有效，因此施工期间，按照每层30 cm进行施工，以确保施工质量。

(2) 为确保植被种植质量，对溢洪道土体进行了翻挖，并铺设厚10 cm的表土层，之后利用石灰将土壤pH值调整为6。渠道区域内约种植了100 kg/hm2百慕大草草种，在横坡和渠道出口区域种植了140 000株岩兰草。尽管露根栽植比塑料袋栽植便宜4倍，但后者存活率比前者高3倍，最终选择了塑料袋栽植。

3.5 其他问题及解决措施

项目实施期间，南屯电力公司重点关注了工程设施和周边社区的整合问题。新建溢洪道工程遵循和南屯2电站同样的要求，包括世界银行和亚洲开发银行(ADB)的安保及赤道原则。具体措施包括创造就业机会、提供培训、合理补偿和提供通行等，比如在南屯2水电调节坝附近为村民建造的新交通桥。

项目雇佣的大多数劳动力(120名中的80名)来自周边村落，经过承包商培训后，主要从事土建和植被作业。在历时8个月的建设期，监管工作由2位区工作人员承担。共有8处稻田受到了该工程的影响。在南屯2水电工程移民管理单位的监管下，南屯电力公司对受影响的农民进行了补偿。

村民的通行问题是该项目的主要关注点之一。2010年大坝运行后，南屯电力公司允许村民经由调节坝到左岸的耕地区域进行劳作。而在21世纪初，该区域只能通过涉水到达。

在新溢洪道建设期间以及运行之后，由于禁止徒步穿过大坝，南屯电力公司通过以下两大措施，来保障村民施工期左右岸通行的人身安全和完工后的永久通行问题。

(1) 施工期内，在溢洪道上搭建一条临时安全通道，并设置防护围栏及配备4名保安。

(2) 在大坝下游800 m处，修建一条横跨南屯河的永久性、允许漫水的混凝土人行道。大桥(宽度 2.25 m，长度57 m)选址原则是既不影响溢洪道泄洪能力，又能完全满足村民们的需求。

在临时通道拆除的同时，该永久人行通道建成，保证了村民左右岸正常通行。

图6 3个取样站的南屯河水浑浊度测量

3.6 环保监管

通过3个取样站监测该新建流溢洪道对南屯河水质的影响，其中包括施工现场上游的两个站(NKT1和NKT2)和下游的一个站(NKT4)。南屯河取样站布局见图5。

监测参数包括pH值、温度、导电率、DO(溶解氧)、TSS(可溶性固形物)、浑浊度以及水生无脊椎动物。根据对水生无脊椎动物的监测评定结果，下游生物种类多样性、人口组成及密度保持稳定，并没有立即发生变化。社区变化，特别是人口密度，与首次降雨事件有很大关系。溢洪道的建设没有引起任何有机物污染，通过栖息地研究，也未发现NKT4监测站附近区域的基质发生变化。3个取样站的南屯河水浑浊度测量见图6。

图5 南屯河取样站布局

总体来说，该新建溢洪道施工短期内对局部地区干扰较小，且未对水质和下游的栖息地产生影响。

3.7 限制条件

溢洪道内的水流流速非常接近百慕大草可以承受的最大流速。另外，在发生10 000 a一遇洪水时，溢洪道出口附近的流速将达到5 m/s，水流入河口处可能出现湍流。针对以上问题，设计通过以下几点进行补充说明。

(1) 该溢洪道作为应急溢洪道，仅在所有原闸门不能满足泄洪要求时方才启用，每年发生这种情况的概率仅为1/1500。

(2) 发生10 000 a一遇洪水时，溢出事件的持续时间较短，预计仅为4 h；

(3) 溢洪道出口距土石坝段较远，且渠道内土壤不易侵蚀。

因此，对土石坝完整性存在的潜在侵蚀风险是可以承受的。但是，鉴于流速和所选的植被防护方案，不可能保证渠道本身和入河口处因降雨径流不发生表面溪流侵蚀。因此，储存了备用的抛石，以便受损区域可以得到及时补救。预计这类修补工程会出现在首次雨季，因为此时径流会优先选择溢洪道作为通往南屯河的路线。

4 结 语

2011年8月，热带风暴洛坦袭击了南屯河流域。南屯2电站调节坝经历了一场洪峰流量超过1 300 m3/s的洪水，根据原始水文资料，对应洪水标准为5 000 a一遇。

根据最新的水文、降雨及修正过的地形数据，南屯电力公司对南屯河流域进行了新的水文研究。据此，南屯河流域10 000 a一遇的洪水标准由1 500 m3/s修正为2 060 m3/s，超过了现有调节坝闸门的最大泄洪量。

鉴于此，南屯电力公司决定新建一条溢洪道，以提高大坝的泄洪能力。通过比选，最终选择了上述自由流溢洪道方案，设置于原调节坝土石坝段的坝顶位置。由于新建溢洪道与土石坝下游面接触区域有大量的处置废料，因此溢洪道的防护方案设计为植被防护，而非常规抛石防护。植被类型选择需要慎重考虑，要能够承受洪水来临时较高流速的水流冲刷。

新建溢洪道工程于2014年11月开工，2015年5月完工，经历了整个旱季，期间并未对电站正常运行造成影响，总预算为750万美元。在遵循南屯电力公司相关政策的前提下，经过严格组织和监管，相关的环保和社会民生问题得以妥善解决。

李 航 孙 言 译

(编辑：唐湘茜)

2017-03-20

1006-0081(2017)07-0025-06

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