浅谈水坠法在米兰电站引水渠渠道土方施工中的应用

夏明华

（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院一分院 新疆 石河子 832000）

1 概述

新疆兵团农二师36团（以下简称“36团”）团部位于米兰镇，其所辖的米兰垦区地处巴音郭楞蒙古自治州若羌县以东74km，距库尔勒市517km，是一个水系及电力系统独立的孤立绿洲。米兰河三级水电站（以下简称“三级电站”）位于36团以南米兰河出山口下游9km处的河道右岸，是实现36团生态环境建设规划和农村电气化县建设规划的骨干电力建设工程。电站的建设能显著缓解米兰垦区的电力紧张状况，并为36团生态经济林的发展提供廉价、洁净的电力。三级电站为引水式电站，自二级电站尾水引水，电站设计发电流量5.00m3/s，采用明渠输水，设计水头45.33m，电站总装机1890kW，选装3台HLA575C-WJ-71水轮机，单机流量1.67m3/s；3台SFW630-10/1430水轮发电机，单机容量630kW，电站总装机1890kW，电站的多年平均发电量为1095.68万kW·h，装机年利用小时为5797h。

2 工程地质概述

渠线分布在米兰河侧蚀的陡坎上，陡坎间表层渠基土，由全新统坡积（Q4dl）所形成的含角砾细砂混合土，坡积厚度在10m～30m之间，其结构松散，承载力低，透水性强，开挖过程中坡角流动现象明显，存在边坡稳定问题。

渠基以下回填土边坡间建议不小于1∶1.75，渠基以上陡坎自然开挖边坡建议不小于1∶1.00。

3 渠道设计

为降低工程投资，尽量减少弃方以及外借方，本渠道工程基本傍山布置，渠道断面基本为半填半挖断面，渠道填方土方尽量利用渠道挖方的土方。

渠道断面形式采用梯形断面，衬砌结构采用现浇混凝土板+两布一膜结构。

3.1 设计流量的确定

经水力动能分析比较，电站的设计发电流量取为5.00m3/s，电站90%保证率下设计流量为2.61m3/s，由于引水渠较短且渠道断面较小，渠道沿程损失可忽略不计。因此，电站引水渠的设计流量采用电站的设计发电流量，为5.00m3/s，电站90%保证率下设计流量为2.61m3/s。

3.2 纵坡设计

引水渠道纵坡考虑经济性和运行管理等要求，既要防止泥沙淤积又要考虑冬季防冰等方面因素，同时结合水力动能多方案比选，确定引水渠纵坡为i=0.0007。

3.3 水力计算

经水力计算，渠道设计流量5.00m3/s时，流速为1.29m/s，渠道水深1.42m。电站90%保证率下引水流量2.61m3/s时，流速为1.10m/s，渠道水深1.08m，满足冬季运行对渠道流速的要求。引水渠水力计算见表1。

3.4 横断面结构

引水渠横断面采用8cm现浇混凝土板护砌，防渗材料采用两布一膜，两布一膜规格选用200g/0.3mm/200g。

3.5 引水渠横断面设计

渠底宽确定为0.6m，渠道内边坡取1∶1.5；填方渠道外边坡取1∶1.75，挖方渠道渠堤以上边坡取1∶1。由于本电站引水渠道填挖方外边坡高度均较大，拟每5m设马道一道，马道宽取为1.0m。

渠道超高的计算，按下式进行计算：

式中，ζ——设计流量下，电站突然甩满负荷时的最大涌波高度（m）；

δ——安全超高，根据《小型水力发电站设计规范》（GB 50071-2002）之规定，本电站引水渠的安全超高取0.4m。

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》（DL/T5079-2007）之规定，本电站引水渠系统为非自动调节渠道，其渠道的最高涌波高度ζ可按以下计算方法进行计算，即将恒定流时的堰上水头（经前池溢流堰的水力计算，堰上水头为0.37m）乘以1.1～1.2系数，把这时的水位定为最高涌波高度。根据计算，本电站引水渠的最高涌波高度为0.407m～0.444m，本工程取中间值为0.42m。

根据计算，渠道超高Fb＝0.4+0.42＝0.82m。

表1 引水渠水力计算表

因此，渠道深度H=1.42+0.82=2.24m。

渠道横断面设计时，充分考虑经济性以及当地多风沙等实际情况，设计渠深取2.0m，另在渠堤内侧设置0.30m×0.30m（高×宽）的C10细粒混凝土浆砌卵石挡块。同时挡块既能拦挡渠挖方侧边坡的砂砾石以及暂时性的坡面洪水进入渠道，又能部分填方侧由于大风引起的风沙进入渠道，以满足渠道的超高要求。为满足运行管理要求，左侧渠堤宽选为3.5m，右侧渠堤宽选为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，本文着重论述渠道土方填方施工。根据现场实际情况，土方填方施工方案有常规的分层碾压施工方案以及水坠法施工方案两种方案可选，根据施工工期、经济性进行多方面比较确定最终的施工方案。

4.1 方案一：常规的分层碾压施工方案

常规的施工碾压方法施工方案是填筑前先清基，然后再利用176kW的推土机推运渠道挖方部分的土方至填筑面，洒水至最佳含水量采用14t振动碾进行分层碾压，以达到设计相对密度要求。

根据工程渠道土方工程量以及施工能力分析，采用传统的机械碾压方案的施工工期为3个月，其工程总投资为67.92万元。

4.2 方案二：水坠法施工方案

根据相关资料记载，在我国西北黄土地区及新疆沙土地区，采用水坠法进行土坝土方填筑施工应用较多。水坠坝是充分利用山区的高陡坡、窄河谷、料场位于坝顶以上的自然地形，将水引至料场，以水枪和松动爆破等方式开挖土料，借水力冲刷，造成泥浆，经输泥渠输入已筑好围埂和分畦的坝面，再经脱水固结，形成均匀密实的坝体。水坠坝的施工方法即为水坠法施工[3]。在我国新疆和田地区于田县境内，于1968年始建，1976年竣工的东方红水库工程是在沙土地基上利用人工回填沙土，再利用水坠方法进行填筑的均质土坝，目前，该水库大坝运行良好。

根据工程渠道土方工程量以及施工能力分析，采用水坠法施工方案由于减少洒水及分层碾压的施工工序，初估工程最终施工工期（考虑泡水时间）为2.5个月，其工程总投资为51.98万元。

4.3 方案选择

根据现场实际情况，结合当地施工经验，本渠道工程渠道填筑土料（土料为沙土）及水源（能直接从上游二级电站自流输水）条件满足水坠法施工条件要求，比较适合水坠法施工，同时结合施工工期以及工程投资进行比较后，确定本渠道工程土方填筑采用水坠法进行施工。该施工方案可加快施工进度，并节省工程投资。

4.4 土方施工

其具体填筑方法为：填筑前先清基，然后利用176kW的推土机推运渠道挖方侧的土方至填方侧，并整体堆积成型。成型的渠道外边坡为满足沉降后外边坡要求，水坠前的渠堤外边坡不小于1∶2.0。然后采用1m3挖掘机开挖渠槽，初期开挖的渠槽要预留0.5m左右厚的富裕沉降带，初期渠槽开挖成形之后进行泡水进行沉降密实同时为保证沉降后的断面不小于设计断面，在水坠过程中还需根据现场实际情况进行土料的均匀补充。水坠水源直接取自上游二级电站尾水，当二级电站不发电时，选择直接从河道引取。为防止因渠道出现集中渗漏通道而出现决堤事故，水坠过程需对渠道分段灌水，每段的控制长度应根据土层的渗透性能确定，一般控制在30m～50m之间。输水方案宜采用管道输水，管径也不宜过大，一般采用DN 110mm的PVC管或者塑料软管输水，不可直接通过开挖的渠槽大流量输水，以防出现决堤事故。水坠时间确定需根据现场实际情况确定，其确定方法可对水坠后的渠基的相对密度进行检测，以达到设计指标为控制时间。即使达到设计相对密度指标也最好能预留2～3个月左右的自然沉降期以进行自然沉降固结过程（该沉降期在西北地区的冬歇期可得到保证）。泡水完毕经检验合格后，可人工精修渠槽进行下一步工序的施工。

5 结语

米兰电站引水渠渠道土方工程采用水坠法进行施工之后（考虑泡水时间）的施工工期较常规的分层碾压施工方法的施工工期缩短近1/6，工程投资降低约1/5。同时，经多年的运行观察，渠道在运行过程中也未出现渗透变形、沉降变形等渠道病害，由此说明该施工方法在米兰电站引水渠渠道土方工程中是能满足工程要求的。陕西水利

[1]GB 50071-2002.小型水力发电站设计规范[S]。

[2]DL/T5079-2007.水电站引水渠道及前池设计规范[S].

[3]水利电力部第五工程局.土坝设计（下册）[M].北京：水利电力出版社，1978。