TSY水電站非自動調節動力引水渠道設計

李 偉

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

1 工程概況

隨著社會經濟的不斷發展，人們對水資源利用途徑越來越多。水電站的建設是對水資源合理有效且最佳利用方式，類型多且數量不斷增加，對促進地方經濟發展起到非常重要作用[1]。TSY水電站是新疆某河流域水力規劃梯級開發中的引水式電站，為Ⅲ等中型工程，裝機容量80 MW，引水設計流量140 m3/s，冬季最小流量9.75 m3/s，引水渠全長7.4 km，多年平均發電量2.8億kW。工程區相應的地震基本烈度Ⅷ度，工程建筑物按Ⅷ度地震設防,主要由攔河樞紐、引水渠、輸水隧洞、前池及壓力管道、廠房、排洪及交叉建筑物、泄水陡坡和尾水渠組成。

非自動調節動力引水渠線[2]自攔河引水閘引水，沿河道右岸岸坡等高線布置，由東向西延伸至前池，全長7.47 km。引水干渠設計流量為140 m3/s，渠道斷面為梯形，渠身采用10 cm現澆混凝土板機械襯砌，0.5 mm厚二布一膜防滲，膜上、下鋪各設2 cm厚的 M10砂漿墊層，渠底寬2.5 m，內邊坡1∶2，渠道深度在引水隧洞進口之前5.7 m，在引水隧洞出口之后6.3 m。渠道深挖渠段土石方工程一次開挖完到地面，左岸堤頂預留馬道寬度4.5 m，作巡渠道路使用，渠道結構襯砌僅實施馬道(或渠頂)以下渠道斷面。半挖半填和填方渠段土石方工程和渠道襯砌工程按要求做到過流斷面規模，外邊坡為1∶1.5。渠道平面布置見圖1。

圖1 TSY水電站工程渠道平面布置示意圖 單位：m

2 地質條件

渠線布置在右岸河流沖積階地地貌Ⅰ～Ⅴ級階地上，部分渠段沿階地坎邊通過，地形北高南低，地形起伏較大，沖溝發育，其中較大沖溝有2條，溝深40～100 m，底寬20～120 m，溝內長年有水。小型沖溝溝深4～12 m，底寬5～10 m，呈“M型”，在降雨時有暫時性流水通過，平時干枯。渠道沿線大部分被第四系地層覆蓋[3-5]，出露的巖性主要有2層：

(1) 黃 土

黃土層0～8.0 m范圍，濕陷系數δS=0.082～0.073，濕陷起始壓力25～55 kPa，濕陷性強烈～中等；8.0～18.8 m范圍，濕陷系數δS=0.073～0.032，濕陷起始壓力100～130 kPa，濕陷性中等；18.8～20.9 m范圍，濕陷系數δS=0.032～0.015，濕陷起始壓力200 kPa，濕陷性輕微，20.9 m以下為非濕陷性黃土。黃土層厚不同深度物理力學性質及濕陷性試驗成果見表1。

表1 黃土濕陷性試驗成果表

(2)砂卵礫石層

分布Ⅰ、Ⅱ級階地，厚度2～6 m，Ⅲ級以上階地砂卵礫石層厚10～30 m，結構密實。濕密度ρω為2.20～2.23 g/cm3，含水率ω為1.3%～1.8%，干密度ρd為2.17～2.19 g/cm3，飽和狀態下粘聚力C=5～8 kPa，內摩擦角φ=38.5～41.5°，滲透系數k=2.5×10-2～7.7×10-2cm/s。

3 非自動調節動力渠道設計

本工程設計主要難點在于非冰期、冰期運行水位銜接、寒冷地區渠道抗凍脹及防滲設計、不良地質條件下的渠道基礎處理和渠道基槽排水設計，以下就上述存在的問題進行設計思路闡述。

3.1 非冰期、冰期渠道縱坡設計

非冰期渠道正常運行時按設計規模引水，當小于設計引水流量，渠道末端水位需滿足前池設計水位和最小淹沒深度要求，同時滿足不沖不淤流速。

冰期引水渠道輸冰運行，主要為冰凌和輸水產生的再生冰，在運行枯水期最小流量時，渠道按明渠均勻流自動運行，不僅需滿足最小淹沒深度要求，還需解決水位銜接和排出冰凌的要求；宜在渠道末端段前池布置時采取“正向排冰側向引水”結構，由于冰期需排出冰凌，最小輸冰流速應不小于1.2 m/s進行控制，渠道縱坡設計影響十分突出，為了減小渠道水頭損失，增加發電量，宜采用較緩的縱坡。對枯水期最小流量時，高水頭、傍山襯砌渠道、以及輸冰運行渠道，為確保最小輸冰流速運行宜采用窄深式過流斷面和較陡的縱坡。本工程在縱坡1/1500～1/4000范圍內選擇1/1500、1/2300、1/3000、1/4000四個縱坡進行經濟比選。渠道冬季運行最小流量為9.75 m3/s，滿足渠道冬季運行流速縱坡為1/1500和1/2300，為了減小渠道水頭損失，渠道縱坡選擇1/2300經濟指標較好。渠道縱剖面見圖2。

圖2 TSY水電站工程渠道縱剖面圖

3.2 渠道抗凍脹設計

根據氣象資料本工程所在地區極端最低氣溫-31 ℃，多年平均氣溫5.7 ℃，多年最大凍土深度0.82 m，最大積雪深度58 cm，根據規范規定屬嚴寒地區，冬季氣溫較低，據顆粒分析資料，黃土、低液限粘土，小于0.075 mm顆粒含量占90.5%～98.0%，均大于10%，該區黃土擊實后的干密度1.54～1.73 g/cm3，渠道存在凍脹問題。

渠道抗凍脹設計方法是近些年來才不斷趨于完善的[6]，引起渠道凍脹的原因主要有：凍脹性土、含水量、負溫，三者缺一，凍脹就不可能發生。抗凍脹計算的目的就是采取最合理的結構處理措施，有效地打破三者的平衡，使渠道的凍脹量在允許范圍內，消除渠道凍脹破壞的發生。

渠道沿線渠道基礎黃土屬于凍脹性土，需采用砂礫料換填處理措施。各部位置換深度Hd按SL 23-2006《渠系工程抗凍脹設計規范》第2.1.3條計算[7]。換填深度計算成果見表2。

表2 換填深度計算成果表

通過分析計算，渠道襯砌各部位凍脹量不同，置換層深度也不同，渠道陰坡置換層深度大，陽坡置換層厚度較小，考慮冬季運行抗凍安全要求，渠道基礎巖性凍脹問題，基礎設計采用陰坡置換層厚度0.6 m(取較大值)。

3.3 渠道基礎處理

對于引水渠道填方斷面基礎處理要求清除地表腐殖土和松散土層，在密實穩定層灑水、攤鋪砂卵礫石，分層進行碾壓填筑，控制含水率，即ρ=12%～15%，對基礎為砂卵礫石段，施工時通過試驗進行最優含水率的控制。對基礎為黃土段，需對提前進行消除黃土濕陷性或提高基礎承載力施工，以適應基礎的變形。

本工程黃土濕陷量計算：渠頂以下17 m黃土自重濕陷量Δzs=121.3 mm，200 kPa壓力下濕陷量Δs=361 mm，濕陷等級為Ⅱ(中等)。渠頂以下30 m黃土自重濕陷量Δzs=108.4 mm，200 kPa壓力下濕陷量Δs=165.5 mm，濕陷等級為Ⅱ(中等)。黃土濕陷量計算成果見表3。

表3 黃土濕陷量計算表

對濕陷性黃土基礎的處理，通常采用預浸水法、強夯法、翻夯法、換填法等。

(1) 浸水法

施工簡便，浸水至濕陷穩定及飽和黃土含水消散的耗時較長，浸水結束后，需對浸水渠坡夯實處理，并對裂縫進行處理。

(2) 強 夯

施工簡便，耗時較短；會對周圍環境造成影響，渠基黃土均勻，夯前對黃土增濕并控制含水量較難。

(3) 翻夯法

施工簡便，耗時較短，夯前對黃土增濕并控制含水量較難。

(4) 換填法

采用擴大基礎提高承載力，施工簡便，耗時較短，施工質量易于控制。

隨著機械化施工技術的提升，強夯法和換填法優勢越來越明顯，因此，濕陷性黃土處理采用換填法。全斷面換填600 mm厚砂卵礫石，通過技術分析，采用擴大基礎和換填厚度的適度調整可滿足承載力要求和提高基礎承載力。

3.4 輸水渠道防滲設計

本工程區屬于寒冷地區，確定混凝土強度標號為C20。由于引水流量較大(140 m3/s)， 渠道沿傍山等高線布置，防滲設計采用了現澆混凝土板護砌和土工膜防滲層的雙防結構。渠道內坡采用C20F300W6現澆混凝土板護砌，底板厚120 mm，邊坡厚100～120 mm，混凝土板下為聚乙烯土工膜(厚0.5 mm)的防滲層，膜下部設一道砂漿墊層，厚度均為30 mm。沿渠道水流方向每105.6 m設一道橫隔梁，現澆混凝土板縫寬20 mm，采用聚氨酯砂漿勾縫。渠道典型橫剖面見圖3。

圖3 TSY水電站工程渠道典型橫剖面圖 單位：m

3.5 渠道基槽排水設施

造成渠道凍脹破壞的主要因素為低氣溫、凍脹性土壤及高含水量。為防止凍脹破壞，引水渠位于砂卵礫石基礎段，由于砂卵礫石滲透系數為k=1.9×10-3cm/s，自然透水水性較好，可不設置排水設施，引水渠位于黃土基礎段，屬易凍脹性土，滲透系數為k=2.1×10-4～2.5×10-5cm/s，需在渠底設置600 mm×600 mm(寬×高)級配砂礫料的縱、橫向排水溝，外包無紡布，通過渠道填方斷面處設排水盲溝，將滲水排入沖溝，以達到排水減壓防止凍脹目的。

3.6 施工注意事項

為防止不均勻沉降、提高基礎承載能力，施工碾壓質量鋪厚厚度不大于30 cm，均勻水平上升，保證地基地質條件的均一性、連續性。施工中應控制填筑速度、預留沉降周期。在擴大渠基填筑施工中，應控制填筑速度不能太快，使填筑料有充分沉降時間，并加強對基礎變形和不均勻性沉降的施工期監測。為防止內水、外水滲漏破壞，渠基礎防滲膜宜采用“二布一膜”的設置形式，便于土工膜質量和施工期人為損壞的檢查。

4 結 語

隨著寒冷地區引水式電站的開發，渠道的防冰凍、基礎處理、渠道防滲設計是寒冷地區設計的重點。本文對寒冷地區水電站非自動調節動力渠道在冰期和非冰期運行情況下水位銜接、渠道抗凍脹、渠道基礎處理、輸水渠道防滲和渠道基礎排水等進行設計，為工程的安全運行提供了保障，為同類工程設計提供參考。