老撾南屯2電站調節壩創新型溢洪道設計

[老撾] D.帕齊尼 等

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老撾南屯2電站調節壩創新型溢洪道設計

[老撾] D.帕齊尼 等

2011年洪水事件之后，有關機構對南屯河流域的水文資料進行了復核更新，修正了南屯2水電站的洪水峰值，以避免在特大洪水和極端條件下，壩體結構失穩，危及下游安全并造成損失。提出了新建一條溢洪道，且通過比選決定采用自由流溢洪道方案。簡要介紹了南屯2水電站的概況及相關背景，對新建溢洪道的方案比選、設計特點和植被選擇作了闡述，并明確了在溢洪道建設期間應注意的相關問題。

溢洪道；防洪；水電站；老撾

南屯2水電站調節壩位于南屯(Nam Khatang)河上，用來調節從廠房尾水出口到下游河道的水流流量，從而保持南屯河的自然流量。2011年洪水事件之后，有關機構對南屯河流域的水文資料開展了復核更新等研究，將南屯2水電站的10 000 a一遇洪水峰值從1 500 m3/s 修正為2 060 m3/s，而這個流量超過了現有溢洪道閘門的最大允許泄洪流量，因此提出新建一條溢洪道的方案。

綜合考慮項目預算和施工干擾(施工期間電站正常運行)等因素，一種創新型溢洪道(置于土石壩段壩頂)設計應運而生。該溢洪道的上游部分(15%)由拋石作防護，下游部分(85%)采用百慕大草和巖蘭草等防腐蝕植被進行防護。

該溢洪道工程投資 750萬美元，于2014年9月開工，2015年7月完工，經歷了整個旱季。遵照南屯電力公司(NTPC)政策標準，解決了一系列環保和社會民生問題。

1 工程概況

1.1 南屯2水電站

南屯2水電站位于老撾境內的甘蒙(Kammouane)省和博利坎賽(Bolikhamsay)省交界處，湄公河與安南(Annamite)山脈之間。該電站在納卡(Nakai)高原將南屯河谷改道至邦非(Xe Ban Fai)平原，利用高原與平原之間的350 m水頭落差進行發電。

電站主要建筑物包括一座高39 m的碾壓混凝土壩、一條引水隧洞和一條通風井。水庫庫容為3 500×106m3。電站裝機容量為1 070 MW，包括4臺混流式水輪機組和2臺沖擊式水輪機組。尾水通過尾水渠排入調節池(位于南屯河床內)。

調節池由調節壩控制，水流通過調節壩排放至南屯河(為保持自然河水流量)或一條長27 km的下游渠道，水流通過渠道(最大允許流量315 m3/s)匯入邦非河，最終匯入湄公河。修建新溢洪道前的調節池如圖1所示。

圖1 修建新溢洪道前的調節池

南屯2電站的配套設施還包括一條長140 km、由湄公河輸往泰國的500 kV雙回路輸電線路。

1.2 調節壩

水電站調節池正常運行庫容為8×106m3(高程178 m)，最高水位庫容為10.7×106m3(高程179.5 m)。壩體長度260 m，其中右側130 m為混凝土壩段，左側130 m為土石壩段。位于土石壩下游的一個巨大平臺用來處置建筑廢料。

調節壩的混凝土壩段安裝了8扇閘門。其中5扇溢洪道閘門將集水區的自然來流排放至南屯河。新建溢洪道之前，這5扇溢洪道閘門的最大排放流量為1 345 m3/s。另外3扇溢洪道閘門將廠房尾水排放至下游河道。洪水期間，發電機將停止工作，而采用這3扇閘門來排放高達330 m3/s的自然來流，以削弱南屯平原的自然洪水。

調節壩8扇閘門同時開啟時，最大排放量為1 660 m3/s，按照最初的水文資料，10 000 a一遇的洪峰流量為1 500 m3/s，現有調節壩可足夠應對10 000 a一遇洪水。

1.3 2011年洪水事件

2011年8月，強熱帶風暴洛坦襲擊了南屯河流域， 在現有調節壩附近形成洪水，洪峰泄流量超過了1 300 m3/s。雖然調節壩經受住了此次洪水考驗，但如此高的洪峰(相當于5 000 a一遇)還是引起了有關機構對于兩個數值間相關性的關注，即此次觀測到的洪水峰值和2004年南屯2水電站設計時計算出的特大洪水值。2011年洪水之后南屯河的水文數據修正結果，如表1所示。

表1 2011年洪水之后南屯河的水文數據修正結果m3/s

南屯2水電公司決定開展兩項針對調節壩集水區的獨立研究。采用了更多2004～2012年間的降雨和徑流量數據，同時對集水區面積進行了重新評估，將其從最初的90 km2調整為120 km2。

就洪峰值和水位曲線圖(洪水歷時10 h，流量40×106m3)而言，兩項研究結果較吻合。采用更新后的水文數據進行模擬，結果顯示在某些特大洪水和極端條件下，壩體結構會有危及下游安全并造成損失的風險，包括大壩維修期間導致的發電損失。因此，南屯電力公司決定再新建一座溢洪道。

2 新建溢洪道設計

2.1 方案比選

設計部門同時考慮了幾種方案，目的是將調節壩的排放量增加560 m3/s?？紤]到壩體的幾何結構和右岸沿坡公路現狀，新建溢洪道選擇建在土石壩上。

設計部門分別從投資、工期以及對現有調節池的運行影響3個方面，對比分析了以下3種技術方案： ①新建一條帶鉸鏈式閘門的溢洪道； ②新建一條帶拋石防護渠道的自由流溢洪道； ③新建一條帶植被防護渠道的自由流溢洪道。

在10 000 a一遇洪水工況下，新建溢洪道流量和調節池水位關系模擬曲線示意如圖2所示。

圖2 新建溢洪道流量和調節池水位關系模擬曲線示意

圖3 自由流溢洪道平面示意

通過對比，最終選擇了帶植被防護渠道的自由流溢洪道。在該創新性方案中，充分利用了土壩的長度和巨大的填土平臺，用以保護土石壩以防侵蝕。在這種特殊環境下，通過成本效益分析，溢洪道渠道植被防護方案優于拋石防護方案。

閘控溢洪道方案的落選原因是施工期間需要降低調節池的水位，會影響水庫運行很長一段時間。另外，自由流溢洪道的維護成本較低，相對閘控溢洪道也更加安全。自由流溢洪道平面和剖面示意分別見圖3～4。

圖4 自由流溢洪道典型剖面示意

2.2 設計特點

2.2.1 設計原則

新建溢洪道的設計主要遵循以下原則。

(1) 溢洪道寬度盡量大，以最大限度增加泄洪量。

(2) 確定溢洪道壩頂高程時，要考慮避免正常運行條件下調節池的溢流問題。正常蓄水位(FSL)下，壩頂高程設計為178.05 m，僅包含5 cm的自由度。

(3) 溢洪道的縱坡設計需滿足： ①除了與南屯河的交界區域外，保證高速水流和可能出現的湍流或水躍位于拋石混凝土區域內；② 除了與南屯河的交界區域外，保證低速水流位于溢洪道內。

(4) 在渠道左岸新增橫坡，以便使雨水徑流或低速水流直接流至渠道左側，進而經下游匯入南屯河。由于壩體附近經常出現高速水流和湍流，這樣做的目的是盡可能使高速水流和湍流遠離現有大壩，避免壩體附近區域(已進行拋石防護)遭到破壞。

(5) 部分壩段由拋石混凝土進行防護。在“硬表面”(拋石混凝土)和“軟表面”(植被)之間有一過渡區域，區域內鋪設柔性雷諾護墊和散拋石，目的是避免過渡區內的潛在侵蝕影響到土石壩。

采用水力學一維模型(1D)和Fudda-Mascaret軟件，對自由流溢洪道的水力學性能進行深入模型研究，以確保發生特大洪水時，大壩不會發生漫頂而能安全應對。研究結果表明，如果自由流溢洪道長度和頂部高程分別設為265 m和178.05 m，在發生10 000 a一遇洪水時，調節池的最高水位低于179.50 m，且有50 cm的浮動空間。同時也對其中一個閘門不可用的情況下， 發生5 000 a一遇的洪水時，進行了自由流溢洪道運行測試。

2.2.2 設計步驟

根據設計原則和水力學計算結果，該條長265m的自由流溢洪道詳細設計具體如下(從上游至下游)。

(1) 在土工布上設置長 8.30 m、厚60 cm的水平拋石(W50=70 kg)防護層。

(2) 設置鋼筋混凝土梁(寬 0.5 m×高1 m)形成高程 178.05的頂部巖坎，目的是防止土石壩滲漏以及確定精確的壩頂高度。

(3) 在土工布上設置長28 m的拋石(W50=50 kg)混凝土防護層，厚度在0.6 ～1 m之間變化，縱坡坡度為5%。

(4) 設置一條長10 m的雷諾石籠護墊防護層(厚 0.30 m)。

(5) 在溝渠內設置一條長6.50 m的拋石(W50=50 kg)防護層，厚度在 0.5～1.5 m之間，置于土工布層上。

(6) 設置面積 7.5 hm2的緩坡溢洪道，從右岸到左岸坡度在 0.15%至0.30%之間變化。區域內覆蓋10 cm厚的表土，表土上部進行植被防護?？稍谝绾榈篮哟膊课环N植百慕大草(撒哈拉種類)或在其兩邊橫坡種植巖蘭草(宋卡黎逸種類)。

(7) 溢洪道出口設置在和南屯河交界處，由巖蘭草防護的斜坡(坡度1∶3)和一個平坦平臺組成。

2.3 植被選擇

由于該溢洪道規模較大(寬250 m、長300 m)，因此除常規拋石或混凝土之外，還考慮了既經濟又耐用的渠道防護方案。

考慮到渠道特點，包括近水平渠道、水流最大流速(2.4 m/s)以及抗腐蝕土壤等條件，經檢閱文獻，預選了百慕大草和巴荷芽草作為抗水流侵蝕的植物。

充分比較后，最終選擇了百慕大草(狗牙根草)，當地稱為Ya Phaek。因為該草已經在該地區生長，并較好地適應了其氣候和現場條件。另外百慕大草生成速度快，根莖系統發達，能承受連續的洪水，以及懸浮沉積物和大尺寸土顆粒的磨損。各種植被防護溢洪道的容許流速見表2。

表2 各種植被防護溢洪道的容許流速 m/s

溢洪道岸坡和出口均有一個陡坡，不僅要防止滲漏，還要預防每年的徑流磨損。巖蘭草被選中是因為其根系很深，且抗剪強度高。2012年，就已選中巖蘭草(宋卡黎逸種類)，用于調節池旁邊500 kV輸電線塔護坡。在這次考察中，又發現了該草的經濟性和高抗性，尤其是在旱季無灌溉的情況下突顯其特性。

3 建設階段

3.1 合 同

除了考慮報價和工程質量外，新建溢洪道承包商的選擇還需考慮以下條件。

(1) 工期進度。所有工程必須在一個旱季完成，即11月中旬至次年6月中旬。

(2) 擔保。合同必須明確南屯電力公司對工程項目任何潛在的缺陷有整改權。

通過談判，南屯電力公司最終選擇了南屯2項目的土建承包商作為新建溢洪道項目的承包商， EDF公司作為業主工程師。承包商合同基于FIDIC紅皮書，監理工程師合同基于FIDIC白皮書，兩項合同總價為750萬美元。

3.2 工期進度

雨季施工是該項目面臨的主要挑戰之一，施工進度須適應降雨帶來的時間限制。項目實施期間，除了大壩安全和人工安全外，還包括村民到南屯河左岸的通行問題及植被種植等干擾因素。

為解決左岸棄渣運至右岸棄渣場問題，專門在南屯河上修建了臨時通道，每天約有100～130次的卡車往返，有效避免了壩頂交通堵塞問題。根據2010～2013年旱季南屯河最大自然流量記錄，自然流量的最大值在15 m3/s(11月)和40 m3/s(5月)之間，6月達到355 m3/s。由于臨時通道的過流設計標準為20 m3/s，因此土方工程的施工時間就限制在11月中旬至次年5月中旬。

植被工程的目標是在2016年5月末開始種植巖蘭草等植被，以便能趕上首次降雨，同時避免昂貴的灌溉費用和草種被后期大雨沖走的風險。

3.3 工程量

項目主要工程量如下：

挖方量 262 000 m3

廢料處置 243 000 m3

拋石 13 000 m3

拋石混凝土 8 000 m3

雷諾護墊 950 m3

混凝土 5 700 m3

植被工程 75 000 m3

巖蘭草 150 000株

百慕大草籽 750 kg

石灰 15 t

有機肥料 37 t

3.4 質量控制

在質量控制計劃中，重點關注了以下兩個方面的問題。

(1) 在易發生水躍的位置。設置厚度為1 m的拋石混凝土層。該措施在拋石間隙完全充填混凝土時才有效，因此施工期間，按照每層30 cm進行施工，以確保施工質量。

(2) 為確保植被種植質量，對溢洪道土體進行了翻挖，并鋪設厚10 cm的表土層，之后利用石灰將土壤pH值調整為6。渠道區域內約種植了100 kg/hm2百慕大草草種，在橫坡和渠道出口區域種植了140 000株巖蘭草。盡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，最終選擇了塑料袋栽植。

3.5 其他問題及解決措施

項目實施期間，南屯電力公司重點關注了工程設施和周邊社區的整合問題。新建溢洪道工程遵循和南屯2電站同樣的要求，包括世界銀行和亞洲開發銀行(ADB)的安保及赤道原則。具體措施包括創造就業機會、提供培訓、合理補償和提供通行等，比如在南屯2水電調節壩附近為村民建造的新交通橋。

項目雇傭的大多數勞動力(120名中的80名)來自周邊村落，經過承包商培訓后，主要從事土建和植被作業。在歷時8個月的建設期，監管工作由2位區工作人員承擔。共有8處稻田受到了該工程的影響。在南屯2水電工程移民管理單位的監管下，南屯電力公司對受影響的農民進行了補償。

村民的通行問題是該項目的主要關注點之一。2010年大壩運行后，南屯電力公司允許村民經由調節壩到左岸的耕地區域進行勞作。而在21世紀初，該區域只能通過涉水到達。

在新溢洪道建設期間以及運行之后，由于禁止徒步穿過大壩，南屯電力公司通過以下兩大措施，來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問題。

(1) 施工期內，在溢洪道上搭建一條臨時安全通道，并設置防護圍欄及配備4名保安。

(2) 在大壩下游800 m處，修建一條橫跨南屯河的永久性、允許漫水的混凝土人行道。大橋(寬度 2.25 m，長度57 m)選址原則是既不影響溢洪道泄洪能力，又能完全滿足村民們的需求。

在臨時通道拆除的同時，該永久人行通道建成，保證了村民左右岸正常通行。

圖6 3個取樣站的南屯河水渾濁度測量

3.6 環保監管

通過3個取樣站監測該新建流溢洪道對南屯河水質的影響，其中包括施工現場上游的兩個站(NKT1和NKT2)和下游的一個站(NKT4)。南屯河取樣站布局見圖5。

監測參數包括pH值、溫度、導電率、DO(溶解氧)、TSS(可溶性固形物)、渾濁度以及水生無脊椎動物。根據對水生無脊椎動物的監測評定結果，下游生物種類多樣性、人口組成及密度保持穩定，并沒有立即發生變化。社區變化，特別是人口密度，與首次降雨事件有很大關系。溢洪道的建設沒有引起任何有機物污染，通過棲息地研究，也未發現NKT4監測站附近區域的基質發生變化。3個取樣站的南屯河水渾濁度測量見圖6。

圖5 南屯河取樣站布局

總體來說，該新建溢洪道施工短期內對局部地區干擾較小，且未對水質和下游的棲息地產生影響。

3.7 限制條件

溢洪道內的水流流速非常接近百慕大草可以承受的最大流速。另外，在發生10 000 a一遇洪水時，溢洪道出口附近的流速將達到5 m/s，水流入河口處可能出現湍流。針對以上問題，設計通過以下幾點進行補充說明。

(1) 該溢洪道作為應急溢洪道，僅在所有原閘門不能滿足泄洪要求時方才啟用，每年發生這種情況的概率僅為1/1500。

(2) 發生10 000 a一遇洪水時，溢出事件的持續時間較短，預計僅為4 h；

(3) 溢洪道出口距土石壩段較遠，且渠道內土壤不易侵蝕。

因此，對土石壩完整性存在的潛在侵蝕風險是可以承受的。但是，鑒于流速和所選的植被防護方案，不可能保證渠道本身和入河口處因降雨徑流不發生表面溪流侵蝕。因此，儲存了備用的拋石，以便受損區域可以得到及時補救。預計這類修補工程會出現在首次雨季，因為此時徑流會優先選擇溢洪道作為通往南屯河的路線。

4 結 語

2011年8月，熱帶風暴洛坦襲擊了南屯河流域。南屯2電站調節壩經歷了一場洪峰流量超過1 300 m3/s的洪水，根據原始水文資料，對應洪水標準為5 000 a一遇。

根據最新的水文、降雨及修正過的地形數據，南屯電力公司對南屯河流域進行了新的水文研究。據此，南屯河流域10 000 a一遇的洪水標準由1 500 m3/s修正為2 060 m3/s，超過了現有調節壩閘門的最大泄洪量。

鑒于此，南屯電力公司決定新建一條溢洪道，以提高大壩的泄洪能力。通過比選，最終選擇了上述自由流溢洪道方案，設置于原調節壩土石壩段的壩頂位置。由于新建溢洪道與土石壩下游面接觸區域有大量的處置廢料，因此溢洪道的防護方案設計為植被防護，而非常規拋石防護。植被類型選擇需要慎重考慮，要能夠承受洪水來臨時較高流速的水流沖刷。

新建溢洪道工程于2014年11月開工，2015年5月完工，經歷了整個旱季，期間并未對電站正常運行造成影響，總預算為750萬美元。在遵循南屯電力公司相關政策的前提下，經過嚴格組織和監管，相關的環保和社會民生問題得以妥善解決。

李 航 孫 言 譯

(編輯：唐湘茜)

2017-03-20

1006-0081(2017)07-0025-06

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