巴基斯坦卡洛特水電站金屬結構布置與設計

儀 彤，胡一亮，王啟行，熊紹鈞

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430010）

1 工程概況

卡洛特（Karot）水電站是巴基斯坦境內吉拉姆（Jhelum）河上5 個梯級電站中的第四級，上一級是阿扎德帕坦（Azad Pattan），下一級是曼格拉（Mangla）。壩址位于巴基斯坦旁遮普省與AJK特區交界處，在卡洛特橋上游1 km處，左岸為巴基斯坦克什米爾AJK 地區，右岸為旁遮普省，下距曼格拉大壩74 km，西距伊斯蘭堡直線距離約55 km。

工程為單一發電的水電樞紐，水庫正常蓄水位461.00 m，設計洪水位461.13 m，水庫總庫容1.88 億m3，正常蓄水位以下庫容1.52 億m3，電站裝機容量720MW（4×180MW），保證出力116.1 MW，多年平均年發電量32.1億kW·h，年利用小時數4 452 h。

樞紐工程主要建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發電建筑物等組成。大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程469.50 m，最大壩高95.5 m；工程泄洪采用岸邊溢洪道，溢洪道控制段布置6 個表孔和2 個泄洪排沙孔；引水發電建筑物布置在吉拉姆河右岸河灣地塊內，采用引水式地面廠房；施工導流采用河床一次截流、隧洞導流的方式，右岸布置3條導流洞。

2 引水發電建筑物金屬結構設計

2.1 電站進水口

電站進水口從上游往下游方向依次設有攔污柵、檢修門和快速門，見圖1。

2.1.1 攔污柵及啟閉設備

電站每臺機組進水口由隔墩分為4 個柵孔，柵槽底坎高程430.50 m，孔口尺寸5.25 m×19.20 m；攔污柵按4.0 m 水位差設計，為直立平面活動式攔污柵，柵后各機組前沿進口相通。在攔污柵頂部高程449.70 m 處布置有混凝土蓋板，以防止污物從攔污柵頂部進入進水口。攔污柵通過吊桿由布置在進水塔頂門機上的回轉吊操作。必要時停機進行提柵清污。

攔污柵柵體共分6 節，每節高約3.20 m，單吊點，吊桿分為5節。柵體節間以銷軸連接，吊桿與攔污柵體、吊桿與吊桿間亦以銷軸連接。攔污柵主梁采用焊接板梁式結構，節間用連接軸及連接板連接，并由吊桿連接鎖定在進水塔頂。

圖1 電站進水口金屬結構布置（單位：mm）

2.1.2 進水口檢修門及啟閉設備

電站進水口4 孔共設一扇檢修閘門，孔口尺寸為7.50 m×10.17 m，底坎高程為431.50 m，設計水頭29.50 m。電站進水口檢修門為平面滑動門，分3 節制造，在現場焊接成整體，由塔頂門機的主鉤操作。閘門主梁為焊接工字型結構，主要材料為Q345B。閘門正、反向支承為滑塊，側向支承為導輪。閘門止水布置在上游側，頂、側止水為P 型橡皮，底止水為條型橡皮。

電站進水口檢修門埋件由主軌、副軌、反軌、底坎、門楣和鎖定等組成，其中主軌為厚鋼板焊接結構，主要材料為Q345B。止水座面材料為不銹鋼，其余為Q235B型鋼和鋼板焊接結構。

電站進水口檢修門靜水閉門，平壓開啟，門頂設平壓閥。閘門由布置在進水塔頂部的門機主鉤借助液壓自動掛鉤梁操作。閘門平時鎖定在進水口頂部的門槽內。

2.1.3 進水口快速門及啟閉設備

電站共4 臺機組，每臺機組進水口設一扇快速門。快速門孔口尺寸為7.50 m×9.70 m，底坎高程均為431.50 m，設計水頭29.50 m。快速門用于機組發生事故時，動水快速關閉，閉門時間為2 min。

電站進口快速門門槽布置在進口段，每臺機組進水口各設一道快速門門槽，共4 孔門槽。門槽頂部設置移動式鎖定梁，用于檢修時鎖定。

閘門型式為平面滑動門，主梁為焊接工字型結構，主要材料是Q345B。閘門分3節制造運輸，在現場通過高強螺栓聯接并拼接成整體。閘門面板和底止水布置在上游側，頂、側止水布置在下游側。提門時采用平壓閥充水平壓，靜水啟門，由容量為1 600/3 000 kN 的液壓啟閉機操作。閘門和液壓啟閉機之間通過一節短吊桿連接。

考慮到電站所處地區地震烈度大，且快速門長期懸掛孔口處于待機狀態，閘門檢修（如更換止水）的周期長等因素，采用油缸下沉的布置方案，以避免地震發生時因水平加速度引起的荷載對油缸及其機架造成破壞。由震害調查及動力分析可知，設備（機架）越高，地震作用效應越強；設備（機架）頂部重量越大，地震作用效應也越大。因此，宜降低設備（機架）高度，減輕其頂部重量，以減小地震作用效應［1］。

2.1.4 壓力鋼管

圖2 為電站壓力鋼管布置圖。電站4條引水隧洞采用“一機一洞”引水方式，平行布置，軸線間距為27 m。壓力鋼管自引水隧洞上彎段起，由上彎段、斜直段、下彎段、錐管段和下平段組成，之后與機組蝸殼相接。鋼管起始段直徑為Φ9.6 m，在下彎段之后經15 m 長的錐管段縮減為Φ7.9 m，1～4 號機鋼 管 長度 分 別約為99.486 ，97.542 ，95.535m 和93.450 m，4 條鋼管總長386.013 m。電站為地上廠房，在隧洞出口與廠房上游墻處設置永久伸縮縫；圍巖比較破碎，為Ⅳ類圍巖，故在其間的鋼管上設置伸縮節，以滿足基礎不均勻沉降的要求。

圖2 電站壓力鋼管布置（單位：mm）

水庫正常蓄水位461.00 m，引水隧洞進口中心高程436.25 m，機組安裝高程382.50 m。經過調保計算，鋼管最大設計水頭為117.5 m（含水錘升壓），最大HD值（水頭×鋼管直徑）為1 107 m2。

壓力鋼管埋在山體之中，壓力鋼管最大埋深約30 多米，鋼管按明管設計。鋼管采用Q345R 鋼材，壁厚32，34 和36 mm。在外水壓力作用下，壓力鋼管外須設置加勁環，加勁環的間距為2.0～3.0 m，斷面為矩形，亦采用Q345R鋼材制作。

2.2 電站尾水檢修門及啟閉機

圖3為電站尾水金屬結構布置圖。電站尾水按“一機一洞兩出口”布置，孔口尺寸9.0 m×5.8 m，靜水閉門，平壓閥充水平壓后啟門，由布置在尾水平臺上的2×630 kN 門機借助液壓自動掛鉤梁操作。閘門底坎高程364.33 m，下游設計尾水位415.00 m，設計水頭50.67 m。考慮機組安裝施工期擋水需要，每孔設一扇檢修門，共8扇檢修門。

圖3 電站尾水金屬結構布置（單位：mm）

尾水檢修門為平面滑動門，分兩節制造，在現場通過焊接連接成整體。不工作時，閘門存放在尾水平臺的門庫內。閘門主梁為焊接工字型結構，主要材料為Q345B。閘門正、反向支承為滑塊，側向支承為側輪。閘門頂、側止水為P型橡皮，布置在機組側；底止水為條型橡皮，布置在下游側。由于尾水下游側可能淤積泥沙，閘門的面板布置在下游側，防止泥沙進入閘門格構內將閘門淤死，同時也大幅減小閘門啟門力。

尾水檢修門埋件由主軌、副軌、反軌、底坎、門楣等組成，其中主軌為厚鋼板焊接結構。止水座面材料為不銹鋼，其余為Q235B 型鋼和鋼板焊接結構。

3 泄洪建筑物金屬結構設計

泄洪建筑物共布置6 個表孔和2 個泄洪沖沙孔。

3.1 泄洪表孔金屬結構設計

泄洪表孔孔口尺寸14.0 m×22.0 m，順水流向依次布置有檢修疊梁門和弧形工作門，分別由2×1600/500 kN壩頂雙向門機和2×4 500 kN液壓啟閉機操作，結構布置詳見圖4。

圖4 大壩泄洪表孔金屬結構布置（單位：mm）

3.1.1 泄洪表孔檢修門及啟閉設備

表孔堰頂高程439.00 m，檢修門孔口尺寸14.00 m×22.00 m，設計水頭22.236 m。6個泄洪表孔共設2扇檢修門，用于弧形工作門檢修及弧形門安裝期阻擋上游水。檢修門為平面疊梁型式，共7節，由壩頂2×1 600/500 kN 雙向門機借助液壓自動掛鉤梁操作，操作方式為靜水啟閉。不工作時，2 套檢修門存放在閘頂右側的門庫內。

閘門主梁為焊接工字型結構，主要材料為Q345B。閘門正向、反向支承均為滑塊，側向支承為導輪。閘門止水布置在下游側，側止水為P型橡皮，底止水為條型橡皮，各節疊梁之間設節間止水。

3.1.2 泄洪表孔弧形工作門及啟閉設備

泄洪表孔共6 孔，每孔設1 扇弧形工作門。表孔堰頂高程439.00 m，弧形門孔口尺寸為14.0 m×22.0 m，設計水頭22.65 m。弧形門弧面半徑29.00 m，支鉸高程451.945 m。閘門采用雙吊點，由2×4 500 kN液壓啟閉機操作；操作方式為動水啟閉，可局部開啟。

由于孔口高度過大，采用雙支臂結構會使門葉上端懸臂段過長，導致閘門嚴重變形，門葉結構上部顯得過于臃腫，加大啟閉機容量，增加油缸的制造難度。而使用三支臂結構，既能精簡門葉結構，又能使閘門重心分配合理，減少啟閉機的容量。泄洪表孔弧門壓力分布見圖5。

圖5 大壩泄洪表孔弧門水壓力分布（單位：mm）

閘門為主橫梁直支臂結構，按照受力平均分配的原則，每個支臂安裝的角度為受力范圍內合力的方向。主梁和支臂均為雙腹板焊接箱型梁結構，主要材料為Q345B，弧門支鉸為球鉸，采用自潤滑球面滑動軸承。弧形門分節制造，在現場拼焊成整體。側向支承為導輪。弧形門埋件由側軌和底坎組成，焊接結構，止水座板材料為不銹鋼［2］。

3.2 泄洪沖沙孔

圖6為泄洪排沙孔金屬結構布置圖。泄洪沖沙孔孔口尺寸為9.0 m×12.0 m（9.0 m×10.0 m），順水流方向依次布置有事故檢修門和弧形工作門，分別由壩頂門機和2×2 000/2×400 kN 液壓啟閉機操作，壩頂門機與表孔檢修門共用。

3.2.1 沖沙孔事故檢修門及啟閉設備

圖6 泄洪排沙孔金屬結構布置

兩個泄洪沖沙孔共設1 扇事故檢修門，孔口尺寸為9.00 m×12.00 m，底檻高程為423.00 m，設計水頭38.13 m。事故檢修門為平面定輪閘門，分節制造運輸，在現場用高強螺栓聯接成整體。閘門面板和止水均布置在上游側，防止泥沙進入門體內。閘門由壩頂雙向門機借助自動掛鉤梁操作，閘門操作方式為動水閉門，平壓閥充水平壓啟門。不工作時事故檢修門存放在壩頂門庫內。

閘門主梁為焊接工字型結構，主要材料為Q345B。閘門正向支承為定輪，采用調心滾子軸承；側向支承為導輪。閘門止水布置在上游側，頂、側止水為P型橡皮，底止水為條型橡皮。

3.2.2 沖沙孔弧形工作門及啟閉設備

泄洪沖沙孔共兩孔，每孔設一扇弧形工作門，可局部開啟調節水位。閘門弧面半徑為20.00 m，孔口尺寸9.00 m×10.00 m，底檻高程423.00 m，設計水頭38.0 m。閘門由2×2 000/2×400 kN液壓啟閉機操作，動水啟閉。

閘門結構采用主橫梁直支臂型式，分節制造，在現場拼焊成整體。主梁和支臂為焊接箱型結構，主要材料為Q345B。弧門支鉸采用自潤滑球面滑動軸承［3］。

埋件由側軌、底坎、門楣等組成，型鋼和鋼板焊接結構，止水座板材料為不銹鋼。

圖7 導流洞金屬結構布置

4 導流洞金屬結構設計與優化

圖7為導流洞金屬結構布置圖。導流建筑物共布置3條導流隧洞，共3孔。

招標設計方案為每條導流洞進口通過中隔墩分為2孔，共6孔。孔口尺寸為6.25 m×12.5 m，每孔設一扇進口封堵門，共6 扇，每扇閘門各配置1 臺2 000 kN固定卷揚機，共6臺。每扇閘門重100 t，每套門槽埋件重45 t，每臺卷揚機重60 t；閘門、埋件和卷揚機總工程量為1 230 t。

施工設計階段進行了布置優化，每條導流洞進口取消中隔墩，孔口尺寸加大為12.5 m×12.5 m，每孔設一扇進口封堵門，共3扇；每扇閘門各配置一臺2×2 500 kN固定卷揚機，共3臺。

現方案為每扇閘門重243 t，每套門槽埋件重47.4 t，每臺卷揚機重77.5 t；閘門、埋件和卷揚機總工程量為1 103.7 t。兩個方案金屬結構工程量對比見表1。經對比，導流洞金屬結構總重量減少126.3 t，金屬結構造價減少約300萬元。

表1 導流洞金屬結構工程量對比

導流洞進口封堵閘門優化后孔口尺寸為12.5 m×12.5 m，底坎高程為388.00 m。閘門為平面滑動門，雙吊點；每扇閘門分7 節進行制造和運輸，在現場通過節間穿銷聯結成整體。閘門主梁為焊接工字型結構，主要材料為Q345B。閘門正向支承為帶夾槽的工程復合材料滑塊，反向支承為鋼滑塊。閘門面板、止水均布置在下游側，頂、側止水為P型橡皮，底止水為條型橡皮，各節之間設節間止水。

閘門下閘操作水位394.00 m，操作水頭6m；下閘時事故提門水頭10 m；閘門最大設計擋水水位461.00 m，靜水水頭73 m，地震效應動水水頭9.49 m，總水頭82.49 m。閘門由布置在混凝土高排架上的2×2 500 kN固定卷揚機操作，動水閉門，下閘封堵后不再啟門。

導流洞封堵閘門在下閘過程中考慮到門槽中泥沙淤積，閉門時小范圍內多次放下、提起以便于沖沙，保證閘門下到底檻。

導流洞進口已于2018 年3 月采用汽車分節吊裝形式下閘擋水。

5 金屬結構抗泥沙設計

卡洛特水庫壩址以上流域年均懸移質輸沙量為3 315 萬t，多年平均含沙量為1.28 kg/m3，推移質輸沙量為懸移質輸沙量的15%，推移質輸沙量為497 萬t。卡洛特水庫調節庫容1 587 萬m3，庫容系數0.06%，具有泥沙量大、庫容小的特點。泥沙量大可能帶來閘門淤積和閘門、啟閉機磨損問題，因而排沙和防淤是該工程金屬結構設計的重點和難點。

在樞紐總體布置中，專門設置了2 個泄洪沖沙孔，用以排沙。電站進水口前沿還設置了攔沙坎，用以阻止推移質進入進水口。已建工程的運行實踐表明，攔沙坎和沖沙閘對于防、排推移質的作用顯著，為金屬結構設備的防沙安全運行提供了基本的保障。

在金屬結構設備設計中，也采取了適當的措施進一步防止或減輕泥沙對其運行的影響。例如，將閘門面板盡量布置在可能出現泥沙淤積的一側，防止泥沙進入閘門格構內，以免閘門被淤死，或增加閘門的啟門力。無法避開的情況下，在計算閘門的啟門力時應充分考慮泥沙荷載，或采取沖淤措施，保證閘門安全運行。

此外，液壓啟閉機油缸擬采用表面噴涂陶瓷活塞桿，以提高其耐磨性和耐蝕性，抵御泥沙帶來的磨損，延長使用壽命［4］。表面噴涂陶瓷是一種較為先進的表面處理方式，可以用來替代傳統的表面鍍鉻工藝。表面噴涂陶瓷活塞桿是在活塞桿表面通過熱噴涂陶瓷涂層加工而成，活塞桿的基體材料仍采用優質碳素結構鋼或其他合金材料。陶瓷涂層技術能有機地將金屬材料的強韌性、易加工性和陶瓷材料的耐高溫、耐磨損和耐腐蝕等特性結合起來，提高活塞桿表面的耐腐蝕性、耐磨損性。噴涂在活塞桿上表面的均勻、不導磁、不滲透的特制陶瓷保護層，不僅具有良好的耐腐蝕、耐磨損和抗刮傷的特性，而且有較高的硬度，其耐沖擊能力及對金屬的粘合力也較好，可延長使用壽命，降低維修費用［5］。

6 金屬結構抗震設計

6.1 地震荷載計算方法

該工程可行性研究報告提出50 a超越概率10%地震水平動峰值加速度為0.25 g，根據中國國家地震局復核成果，地震基本烈度按8度考慮。

按中國DL 5073-2000《水工建筑物抗震設計規范》［6］規定，卡洛特水電站壅水建筑物抗震設防類別為乙類，非壅水建筑物抗震設防類別為丙類，對應的壅水建筑物和非壅水建筑物均采用基本烈度作為設計烈度，即設計地震加速度為0.26 g。該規范要求采用擬靜力法計算地震作用效應。地震作用效應考慮地震慣性力和水平向地震作用的動水壓力；地震慣性力忽略豎直慣性力，只考慮水平向兩個慣性力，其大小相等、方向垂直。

沿建筑物高度作用于質點i的水平向地震慣性力代表值

式中，ah為水平向設計地震加速度代表值，ah=0.26g=2.55m/s2（g=9.81m/s2）；ξ 為地震作用的效應折減系數，取0.25；GEi為集中在質點i的重力作用標準值，kN，GEi=mg（m 為質量，g 為重力加速度）；αi為質點i的動態分布系數，為1.4。

因此，閘門的水平向地震慣性力F=2.55×0.25×mg×1.4/g=0.892 5 m

水深h處的地震動水壓力代表值為

式中，ρw=1 000 kg/m3；H0為閘門擋水高度，m；ψ(h)為水深h處的地震動水壓力分布系數。

6.2 防震措施

6.2.1 閘門防震設計

金屬材料具有強度高、彈性模量大、塑性好等力學特性，具有較強的抗沖擊、抗震動等抵御動荷載的能力。閘門設計規范要求，所用鋼材的許用應力與其屈服強度σs之間應考慮1.5～2.0 的安全系數。按設計規范要求進行設計、采用合適鋼材進行制造的鋼閘門，其本身具有一定的承受超設計荷載的能力［1］。

地震動水壓力對露頂式弧形閘門支腿影響較大，故設計中對泄洪表孔弧形閘門支臂結構進行加強，保證地震工況下支臂結構不會失穩。

為適應地震發生時可能出現的較大變形，泄洪表孔、泄洪沖沙孔弧形閘門的支鉸采用球鉸，以適應變形免遭破壞。

進水口檢修閘門門體平時鎖定在門槽頂部，將通過加強閘門鎖定裝置，確保閘門安全鎖定，不致在地震中墜落。進水口門槽頂部擬設置蓋板，防止地震時零星碎物掉入門槽影響閘門運行。

6.2.1 啟閉機防震設計

DL/T 5167-2002《水電水利工程啟閉機設計規范》［7］關于地震荷載規定為：當啟閉機工作地區的地震基本烈度大于或等于7 度時，應考慮地震水平荷載。GB/T 3811-2008《起重機設計規范》［8］要求，起重機基礎受到外部激勵引起的載荷是指由于地震或其他震波迫使起重機基礎發生震動而對起重機引起的載荷。因此，對在高地震烈度地區工作的啟閉機，須對其進行抗震設計，并采取適當的防震措施。

基于此，招標文件明確了卡洛特水電站地震設計烈度為8 度，并要求設計、制造廠家在設計、制造啟閉機設備時充分考慮地震載荷，采取相應的措施減輕或消除地震給設備帶來的影響。

固定式啟閉機基礎連接應牢固可靠，防止地震移位，門式啟閉機應設置可靠的夾軌器和錨定裝置，并應有足夠的穩定性，在地震時不致發生脫軌和傾覆。

啟閉機的電氣控制設備一般安裝在各自的機房內，地震發生后，只要各自機房不出現毀滅性破壞，電控設備均能在接受到啟閉機設備故障報警信號后自動發出信號，提示運行值班人員加強巡視或自動停機，防止設備進一步損壞。

另外，從選型和布置上設法降低了所有啟閉機或其機架高度，減輕啟閉機或其機架頂部的重量，以減輕地震對啟閉機或其機架帶來的破壞。如考慮到卡洛特電站所處地區地震烈度大，在電站進水口快速門液壓啟閉機的布置上，經過對油缸高出進水塔頂布置方案和油缸下沉式布置方案兩者進行比較后，確定采用油缸下沉方案，以避免地震發生時因水平加速度引起的荷載對油缸及其機架造成破壞。

7 結 語

巴基斯坦卡洛特水電站是長江勘測規劃設計研究院有限責任公司在巴基斯坦承接的首個大型水電站項目，也是“一帶一路”旗艦項目“中巴經濟走廊”首個開工的項目。到目前為止，該工程金屬結構設計進展和設計成果滿足EPC 總合同及業主的要求，通過設計優化，安全有效地控制了工程投資規模。