姚治平

（中國水利電力對外有限公司，北京100000）

1 工程概況

上馬蒂(Upper Madi)水電站位于尼泊爾西部卡斯基大區(qū)馬蒂河流域。裝有2 臺單機容量為12.5MW 混流式水能發(fā)電機組。電站設計引用流量25.5m3/s,額定發(fā)電水頭120m,設計發(fā)電量為13309 WkW·h/年,采用引水式開發(fā)方式。工程包括首部樞紐、引水隧洞、調壓井、壓力鋼管、發(fā)電廠房及開關站。主體工程,除攔河壩及消力系統(tǒng)外,均布置在馬蒂河右側。

2 水文、地質

工程所在地年平均降雨量2853mm, 多年平均來流量33.2m3/s,枯水期流量5.29 m3/s,2 年一遇洪水流量296m3/s,5 年一遇洪水流量548m3/s,10 年一遇洪水流量759m3/s,50 年一遇洪水流量1280m3/s。多年平均輸沙量約244 萬t, 年平均輸沙率約77.3kg/s。壩址推移質沙量按推懸比20%計, 推移質沙量約為48.8 萬t，年平均含沙量約2.33kg/m3,最大含沙量6.21kg/m3[1]。電站竣工前一年, 即2015 年4 月25 日尼泊爾發(fā)生8.1 級強烈地振,震中位于上馬蒂水電站所在地區(qū)博卡拉境內,地震造成大量山體滑坡。

3 技改誘因

工程所在區(qū)域,崇山峻嶺,河床兩岸山體坡度≥1:0.5,沙礫石地表,植被覆蓋率低;河槽平均坡度大于2%;每年5～10 月為雨季,山洪頻繁發(fā)生;離首部取水口上游4 公里處,大地震時形成的數(shù)百萬方滑坡堆體;雨季洪水沖刷,大量沙礫石進入主河道流經首部樞紐。河槽抬高,流向改道,取水口無法取水;或來流挾帶推移質、懸移質進入引水明渠,損毀構筑物,堵塞取水口;被迫停止發(fā)電,嚴重影響電站效益。

4 技改

4.1 技改規(guī)劃

電站2016 年底竣工投產,主體工程已定型,技改采取:

分流→排石、拉沙→限流→攔截推移質→增強防沖、耐磨能力→人工干預→綜合治理,保證電站汛期正常生產,枯期關閉所有分流通道集中來流供發(fā)電。技改分兩期實施。Ⅰ期完成明渠壩0-82～壩0±0.00 段構筑物修復、改建、加固,為Ⅱ期技改創(chuàng)造條件;Ⅱ期完成壩0-82 以上新建、改建、修復、加固等項目。技改期間正常發(fā)電。技改具體內容:修復加固2017 年汛期中損毀的首部引水系統(tǒng);汛期河道分流;新增結構物,控制推移質、懸移質進入引水明渠;提高明渠自身防沖抗磨功能。增強拉沙、排石效果;阻止推移質進入引水明渠;攔截推移質;降低其明渠中推移速度。

4.2 準備

4.2.1 導流。Ⅰ期臨時導流工程:攔河壩體上設置橫向擋水圍堰兼作分流堰,分流堰右端接沙礫石高填方導流明渠,引流經沉沙池翻水側堰直接進入; Ⅱ期臨時導流工程: 位于原河槽壩0-280 修筑橫向圍堰,后接臨時導流明渠,經潛堰至明渠左導墻壩0-82 陡坡段入明渠后段供發(fā)電取水。4.2.2 資源配置。設備、材料、勞動力等資源,就地組織。

4.3 技改實施

4.3.1 原河槽汛期分流。壩0-310 段河中部修筑一條向下游延伸的河心島, 島前端圓弧形裹頭,6m 寬×15m 長×2m 高巨礫石堆積體, 左右分流, 其右側導流入泄槽; 左河槽疏通1m 深×15m 寬,坡降1.95%的分流通道,直達潛堰缺口引流外泄,設計分流量是來流總量40%, 減輕泄槽負擔。4.3.2 明渠入口及河槽整治。保證引水明渠入口能在汛期中既能有效取水,又能充分抑止推移質躍入取水口。此段增設:泄槽、寬頂堰、砥流抑石墩、重力式擋水堤、拉沙口及附屬結構,協(xié)同發(fā)揮功效。⑴泄槽。引流供明渠側向取水及排泄推移質。布置在壩0-229.3 至潛堰間,緊鄰明渠取水口河槽段。泄槽由上陡坡段, 下緩坡段及兩側導墻構成,其中兩側導墻分別由右側寬頂堰、1#堆石區(qū)及左側束流堤構成。上游段成喇叭狀,開口寬度27.3m,底板▽942.7(文中高程 樁號單位m),長27m,以10%坡降與緩坡段相接。緩坡段起口▽940,全長46m,末端▽939.5。槽底板厚1.6m 砼灌砌石,設置4 道齒墻,齒墻斷面尺寸:3m 寬×2.5m 深。埋直徑￠100PVC@2.5m 排水孔,梅花型布置。泄槽左導墻,即束流堤,位于泄槽左側,束流堤總長71m,砼灌砌石結構,頂寬2.7m,底寬4.5m 的梯形斷面。上游端部為5.8m 半圓弧形裹頭,其頂▽947,漸變到下游▽944.5 與泄槽末端重力式阻水墻迎水面交匯;堤內側砼護面,表面平順、光滑、糙率小、利于水流下泄。束流堤中段,即寬頂堰相對段,流線形變化,曲線凸向迎水面,泄槽寬縮窄至7.7m,構成泄流泄沙槽段,以達到束水攻沙功效。通過這種縮窄入渠口門段泄槽并有意向進水口方向外突,控制槽中水流呈微彎形,提高上游水位,增加下游沖擊能,保證寬頂堰扇形發(fā)散取水,同時不影響下層礫石順直下泄,實現(xiàn)取水排石功效。左導墻防護導墻緊鄰河槽,汛期易受洪水沖擊。在導墻末端增設砼灌砌石堤, 汛期自然形成回淤坨,有效保護導墻。泄槽右導墻,由1#堆石區(qū)、寬頂堰構成。導墻上段,即Ⅰ#堆石區(qū), 是砼灌砌石包邊堆石體, 頂▽947.5, 寬29m,長31m,似一錐形堆石體,發(fā)揮丁壩功能,既能防止來流對右岸山體坡腳沖刷又能引導來流入槽;下段由寬頂堰承擔導流墻,寬頂堰溢流面與泄槽底板最小高差2m,抑制推移質隨入渠水流進入明渠。⑵寬頂堰坎及砥流抑石墩。寬頂堰即明渠入口, 始于壩0-202.655,向下游延伸,總長41.02m,為雙向坡形,從上游▽942m漸升至下游▽943.91,堰頂迎水面向內流線形漸降低,跌坎高差由0.5m～1.6m 遞增; 寬頂堰靠上游側根據(jù)水躍后附近水沙作翻滾運動的特點增設重力式砥流抑石墩, 砥流抑石墩頂高▽945.5,底部隨寬頂堰坎過流面變接。砥流抑石墩為砼灌砌石體, 表面高強度水泥砂漿溝縫,面成流線型,主要目的抑制大石頭起跳,來流中挾帶推礫質、懸移質撞擊抑石墩后, 阻止其翻躍入明渠而下沉并隨泄槽高速水流下泄[1]。⑶重力式阻水墻。泄槽末端垂直于寬頂堰坎設置一道迎水面為直墻砼灌砌石重力式擋水墻,將泄槽高速水流上層水位壅高,進一步保證寬頂堰取水; 墻體中部預留寬2m、高5m 口門?？陂T上游兩側分別增設與寬頂堰坎夾角為30 度,與束流堤夾角45 度的直面斜墻臺, 其高2.5m,構成喇叭形導流槽, 引導泄槽底部推移質進入口門,借助水力沖擊快速下泄。當來流量≥55m3/s 時, 拉砂口門不作任何干預,寬頂堰均能正常取水,供2 臺機組滿負荷發(fā)電所需水量。當來流量＜55m3/s 時,人工干預拉沙口門,保證發(fā)電用水量。⑷Ⅱ#堆石區(qū)。Ⅱ#堆石區(qū)既是重力式阻水結構右岸一部分,也是引水明渠左導墻的上半段,兼有連接跨渠貝雷橋左橋臺,必須預防水漫溢過頂。如頂面過流,危及自身及橋臺安全,故對其邊沿增加灌砌石防護,頂部增設砼擋水堤及漫水區(qū)固化。

4.4 永久明渠整治

明渠底板長200 余米,分四區(qū)分別加以整治:Ⅰ區(qū) 攔石區(qū),壩0-202.655～壩0-145;Ⅱ區(qū)2%的緩坡段,壩0-145～壩0-82;Ⅲ區(qū)10%陡坡段, 壩0-28～壩0-82; Ⅳ區(qū)平段壩0±0.00～壩0-28,緊鄰進水閘、沖沙閘(泄洪閘)。項目運行首個汛期中,明渠底板受到推移質毀滅性破壞:護面層全部被沖毀,建基面掏空,坑深2m 以上,馬蒂電站被迫停機。電站受到較大經濟損失,也給總公司帶來負面影響。針對實際情況,擬定不同整治方案。重點在于減少汛期沙礫石進入明渠,從而消除沙礫石堵塞進水閘事件;增強明渠底板自身防沖耐磨性能, 防止其再次遭受礫石沖擊損毀無法發(fā)電現(xiàn)象重演。

Ⅰ區(qū):引水明渠首段,緊鄰泄槽。增設砼灌砌石攔石坎,攔石坎頂寬3m,底寬4.5m,高1.5m;池底板砼灌砌石,厚度1.5m。攔石容量2500m3,攔截入渠推移質、降低流速,沉淀部分懸移質。汛期及時清除池內沙礫石,保持一定空間蓄納入渠沙礫石。

Ⅱ區(qū):該區(qū)段緊鄰攔石區(qū),下游與陡坡段相接,平均渠寬25m,該段承上啟下。底板建基面用砼灌砌石換填,構成厚度1.6m 過流底板,表面礫石凹凸,增大糙率,減小水流速,降低挾帶推移質滾動速率, 減輕底板磨蝕。間隔20m 設置橫向齒墻, 斷面2.5m深×2m 寬,底板整體穩(wěn)定性高。

Ⅲ區(qū):該段坡陡,短時間提高流速,獲較大動能,將推移質、懸移質沖移至平段沖沙閘門附近,開閘后迅速沖排。將原沙礫石建基面換填成C30 砼灌砌石,厚度1.3m,并設置5 條橫向和2 條縱向齒槽,提高陡坡段整體穩(wěn)定性。齒槽結構如圖1 所示。為減少陡坡段表層糙率、增強抗耐磨性能,設45cm 厚C40 高強度防沖耐磨表面鋼筋混凝土,C40 砼配合比由尼泊爾特里布萬大學設計,澆筑中嚴格控制振搗及表面質量。

圖1 齒槽結構示意圖

Ⅳ區(qū)：該區(qū)段沖沙閘(泄洪閘)、進水閘墩及墻面在第一個汛期被推移質磨蝕部位加固補強。采用環(huán)氧基液涂抹,補澆高強度砼加固。遵循如下程序:①清理→鑿毛→沖洗→表面干燥→涂刷環(huán)氧基液→分段組立模板→澆筑C40 砼→養(yǎng)護。②鑿毛,清除已磨蝕砼表層,保證新澆砼包裹已有結構鋼筋20cm 以上。③砼澆筑,分層厚度1m。環(huán)氧基液[2]均勻涂刷已處理老砼表面后,分層灌注砼。

4.5 地下水引排

明渠緊鄰右岸沙礫石山體,雨季山體坡面滲水量大,大量滲水從建基面溢出,為防止底板受揚壓力頂托破壞,明渠底板埋￠150@1.5mPVC 排水管,梅花形布置,排水管底端頭用反濾土工布包裹嚴密,防沙填塞管身失去排水功能。

5 結論

首部樞紐經過技改,完全達既定目標。今年運行效果明顯,再無推移質損毀建筑物、堵塞閘門現(xiàn)象,汛期正常發(fā)電,全年發(fā)電總量創(chuàng)新高,是電站正常年度發(fā)電量峰值,統(tǒng)計如表1。

表1 歷年發(fā)電量

技改關鍵事項:控制引水明渠口門汛期進流量，既保證發(fā)電用水量也防止過度進流，確保汛期泄槽拉沙排石效果，提高明渠底板抗磨性能。