淺談水墜法在米蘭電站引水渠渠道土方施工中的應(yīng)用

夏明華

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院一分院 新疆 石河子 832000）

1 概述

新疆兵團(tuán)農(nóng)二師36團(tuán)（以下簡稱“36團(tuán)”）團(tuán)部位于米蘭鎮(zhèn)，其所轄的米蘭墾區(qū)地處巴音郭楞蒙古自治州若羌縣以東74km，距庫爾勒市517km，是一個水系及電力系統(tǒng)獨(dú)立的孤立綠洲。米蘭河三級水電站（以下簡稱“三級電站”）位于36團(tuán)以南米蘭河出山口下游9km處的河道右岸，是實(shí)現(xiàn)36團(tuán)生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃和農(nóng)村電氣化縣建設(shè)規(guī)劃的骨干電力建設(shè)工程。電站的建設(shè)能顯著緩解米蘭墾區(qū)的電力緊張狀況，并為36團(tuán)生態(tài)經(jīng)濟(jì)林的發(fā)展提供廉價、潔凈的電力。三級電站為引水式電站，自二級電站尾水引水，電站設(shè)計(jì)發(fā)電流量5.00m3/s，采用明渠輸水，設(shè)計(jì)水頭45.33m，電站總裝機(jī)1890kW，選裝3臺HLA575C-WJ-71水輪機(jī)，單機(jī)流量1.67m3/s；3臺SFW630-10/1430水輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量630kW，電站總裝機(jī)1890kW，電站的多年平均發(fā)電量為1095.68萬kW·h，裝機(jī)年利用小時為5797h。

2 工程地質(zhì)概述

渠線分布在米蘭河側(cè)蝕的陡坎上，陡坎間表層渠基土，由全新統(tǒng)坡積（Q4dl）所形成的含角礫細(xì)砂混合土，坡積厚度在10m～30m之間，其結(jié)構(gòu)松散，承載力低，透水性強(qiáng)，開挖過程中坡角流動現(xiàn)象明顯，存在邊坡穩(wěn)定問題。

渠基以下回填土邊坡間建議不小于1∶1.75，渠基以上陡坎自然開挖邊坡建議不小于1∶1.00。

3 渠道設(shè)計(jì)

為降低工程投資，盡量減少棄方以及外借方，本渠道工程基本傍山布置，渠道斷面基本為半填半挖斷面，渠道填方土方盡量利用渠道挖方的土方。

渠道斷面形式采用梯形斷面，襯砌結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土板+兩布一膜結(jié)構(gòu)。

3.1 設(shè)計(jì)流量的確定

經(jīng)水力動能分析比較，電站的設(shè)計(jì)發(fā)電流量取為5.00m3/s，電站90%保證率下設(shè)計(jì)流量為2.61m3/s，由于引水渠較短且渠道斷面較小，渠道沿程損失可忽略不計(jì)。因此，電站引水渠的設(shè)計(jì)流量采用電站的設(shè)計(jì)發(fā)電流量，為5.00m3/s，電站90%保證率下設(shè)計(jì)流量為2.61m3/s。

3.2 縱坡設(shè)計(jì)

引水渠道縱坡考慮經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行管理等要求，既要防止泥沙淤積又要考慮冬季防冰等方面因素，同時結(jié)合水力動能多方案比選，確定引水渠縱坡為i=0.0007。

3.3 水力計(jì)算

經(jīng)水力計(jì)算，渠道設(shè)計(jì)流量5.00m3/s時，流速為1.29m/s，渠道水深1.42m。電站90%保證率下引水流量2.61m3/s時，流速為1.10m/s，渠道水深1.08m，滿足冬季運(yùn)行對渠道流速的要求。引水渠水力計(jì)算見表1。

3.4 橫斷面結(jié)構(gòu)

引水渠橫斷面采用8cm現(xiàn)澆混凝土板護(hù)砌，防滲材料采用兩布一膜，兩布一膜規(guī)格選用200g/0.3mm/200g。

3.5 引水渠橫斷面設(shè)計(jì)

渠底寬確定為0.6m，渠道內(nèi)邊坡取1∶1.5；填方渠道外邊坡取1∶1.75，挖方渠道渠堤以上邊坡取1∶1。由于本電站引水渠道填挖方外邊坡高度均較大，擬每5m設(shè)馬道一道，馬道寬取為1.0m。

渠道超高的計(jì)算，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，ζ——設(shè)計(jì)流量下，電站突然甩滿負(fù)荷時的最大涌波高度（m）；

δ——安全超高，根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50071-2002）之規(guī)定，本電站引水渠的安全超高取0.4m。

根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5079-2007）之規(guī)定，本電站引水渠系統(tǒng)為非自動調(diào)節(jié)渠道，其渠道的最高涌波高度ζ可按以下計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，即將恒定流時的堰上水頭（經(jīng)前池溢流堰的水力計(jì)算，堰上水頭為0.37m）乘以1.1～1.2系數(shù)，把這時的水位定為最高涌波高度。根據(jù)計(jì)算，本電站引水渠的最高涌波高度為0.407m～0.444m，本工程取中間值為0.42m。

根據(jù)計(jì)算，渠道超高Fb＝0.4+0.42＝0.82m。

表1 引水渠水力計(jì)算表

因此，渠道深度H=1.42+0.82=2.24m。

渠道橫斷面設(shè)計(jì)時，充分考慮經(jīng)濟(jì)性以及當(dāng)?shù)囟囡L(fēng)沙等實(shí)際情況，設(shè)計(jì)渠深取2.0m，另在渠堤內(nèi)側(cè)設(shè)置0.30m×0.30m（高×寬）的C10細(xì)粒混凝土漿砌卵石擋塊。同時擋塊既能攔擋渠挖方側(cè)邊坡的砂礫石以及暫時性的坡面洪水進(jìn)入渠道，又能部分填方側(cè)由于大風(fēng)引起的風(fēng)沙進(jìn)入渠道，以滿足渠道的超高要求。為滿足運(yùn)行管理要求，左側(cè)渠堤寬選為3.5m，右側(cè)渠堤寬選為1.5m。

4 渠道土方施工

渠道土方施工包括填方施工以及挖方施工，本文著重論述渠道土方填方施工。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，土方填方施工方案有常規(guī)的分層碾壓施工方案以及水墜法施工方案兩種方案可選，根據(jù)施工工期、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行多方面比較確定最終的施工方案。

4.1 方案一：常規(guī)的分層碾壓施工方案

常規(guī)的施工碾壓方法施工方案是填筑前先清基，然后再利用176kW的推土機(jī)推運(yùn)渠道挖方部分的土方至填筑面，灑水至最佳含水量采用14t振動碾進(jìn)行分層碾壓，以達(dá)到設(shè)計(jì)相對密度要求。

根據(jù)工程渠道土方工程量以及施工能力分析，采用傳統(tǒng)的機(jī)械碾壓方案的施工工期為3個月，其工程總投資為67.92萬元。

4.2 方案二：水墜法施工方案

根據(jù)相關(guān)資料記載，在我國西北黃土地區(qū)及新疆沙土地區(qū)，采用水墜法進(jìn)行土壩土方填筑施工應(yīng)用較多。水墜壩是充分利用山區(qū)的高陡坡、窄河谷、料場位于壩頂以上的自然地形，將水引至料場，以水槍和松動爆破等方式開挖土料，借水力沖刷，造成泥漿，經(jīng)輸泥渠輸入已筑好圍埂和分畦的壩面，再經(jīng)脫水固結(jié)，形成均勻密實(shí)的壩體。水墜壩的施工方法即為水墜法施工[3]。在我國新疆和田地區(qū)于田縣境內(nèi)，于1968年始建，1976年竣工的東方紅水庫工程是在沙土地基上利用人工回填沙土，再利用水墜方法進(jìn)行填筑的均質(zhì)土壩，目前，該水庫大壩運(yùn)行良好。

根據(jù)工程渠道土方工程量以及施工能力分析，采用水墜法施工方案由于減少灑水及分層碾壓的施工工序，初估工程最終施工工期（考慮泡水時間）為2.5個月，其工程總投資為51.98萬元。

4.3 方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，本渠道工程渠道填筑土料（土料為沙土）及水源（能直接從上游二級電站自流輸水）條件滿足水墜法施工條件要求，比較適合水墜法施工，同時結(jié)合施工工期以及工程投資進(jìn)行比較后，確定本渠道工程土方填筑采用水墜法進(jìn)行施工。該施工方案可加快施工進(jìn)度，并節(jié)省工程投資。

4.4 土方施工

其具體填筑方法為：填筑前先清基，然后利用176kW的推土機(jī)推運(yùn)渠道挖方側(cè)的土方至填方側(cè)，并整體堆積成型。成型的渠道外邊坡為滿足沉降后外邊坡要求，水墜前的渠堤外邊坡不小于1∶2.0。然后采用1m3挖掘機(jī)開挖渠槽，初期開挖的渠槽要預(yù)留0.5m左右厚的富裕沉降帶，初期渠槽開挖成形之后進(jìn)行泡水進(jìn)行沉降密實(shí)同時為保證沉降后的斷面不小于設(shè)計(jì)斷面，在水墜過程中還需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行土料的均勻補(bǔ)充。水墜水源直接取自上游二級電站尾水，當(dāng)二級電站不發(fā)電時，選擇直接從河道引取。為防止因渠道出現(xiàn)集中滲漏通道而出現(xiàn)決堤事故，水墜過程需對渠道分段灌水，每段的控制長度應(yīng)根據(jù)土層的滲透性能確定，一般控制在30m～50m之間。輸水方案宜采用管道輸水，管徑也不宜過大，一般采用DN 110mm的PVC管或者塑料軟管輸水，不可直接通過開挖的渠槽大流量輸水，以防出現(xiàn)決堤事故。水墜時間確定需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定，其確定方法可對水墜后的渠基的相對密度進(jìn)行檢測，以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)為控制時間。即使達(dá)到設(shè)計(jì)相對密度指標(biāo)也最好能預(yù)留2～3個月左右的自然沉降期以進(jìn)行自然沉降固結(jié)過程（該沉降期在西北地區(qū)的冬歇期可得到保證）。泡水完畢經(jīng)檢驗(yàn)合格后，可人工精修渠槽進(jìn)行下一步工序的施工。

5 結(jié)語

米蘭電站引水渠渠道土方工程采用水墜法進(jìn)行施工之后（考慮泡水時間）的施工工期較常規(guī)的分層碾壓施工方法的施工工期縮短近1/6，工程投資降低約1/5。同時，經(jīng)多年的運(yùn)行觀察，渠道在運(yùn)行過程中也未出現(xiàn)滲透變形、沉降變形等渠道病害，由此說明該施工方法在米蘭電站引水渠渠道土方工程中是能滿足工程要求的。陜西水利

[1]GB 50071-2002.小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S]。

[2]DL/T5079-2007.水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]水利電力部第五工程局.土壩設(shè)計(jì)（下冊）[M].北京：水利電力出版社，1978。