某水电站尾水出口防护设计

林潇

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

某水电站尾水出口防护设计

林潇

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

某水电站位于尼泊尔的中部山区，发电厂房建在右岸滩地位置，占据了部分耕地，该区以农耕为主，耕地匮乏。发电尾水又将冲刷滩地引发农田受损，设计阶段根据工程所处的地质、地形、河床质条件，结合建材、施工难度及运行管理要求，进行不同防护结构型式比选，确定了合理的设计方案，实施过程又根据施工条件进行优化，达到了设计预期目的。

尾水出口防护；仰斜式挡墙结构；埋石混凝土

1 项目概况

某水电站距离尼泊尔第二大城市博克拉约19 km，位于尼泊尔西部马蒂河的上中游，常苏村与巴恒高之间河段上，为引水式电站。马蒂河发源于喜马拉雅山脉南麓的东部阿娜普纳雪山区，自北向南流向，工程坝址以上流域面积375 km2，多年平均年降雨量约2 853 mm。尼泊尔主雨季为夏季的6—9月，东南季风带来整年大约80%的降雨。工程所在地区暴雨主要发生在每年的6—9月，工程区域内极端最高气温34℃，极端最低气温3.8℃。该区地形属于中等高度山区。

首部枢纽位于常苏村，拦河坝为敞开式混凝土溢流坝，冲砂闸、引水隧洞均布置在右岸。拦河坝为低坝溢流堰型，水位超出堰顶高程则自由溢流；冲砂闸位于拦河坝右侧，冲砂闸除用于拉砂外，汛期参与泄洪；沉砂池位于冲砂闸右侧，发电引水水位为936.20 m，水流经过沉砂池的沉淀后通过引水隧洞进入机组，从而保证发电机组的正常运行。右岸引水隧洞总长度4.23 km，期间形成了120 m的发电水头。厂房位于坝下游约4.8 km处巴恒高村右岸山体坡脚的滩地上，地势相对平坦，适合布置地面厂房及厂区建筑物。电站设计引用流量为25.5m3/s，输水隧洞洞径为4.5m，安装2台机组，单机容量为12.5MW。最大设计水头126.00 m，最小水头119.00 m，额定水头为120.00 m，发电量为13 309万kW·h。

2 防护要求

尼泊尔国土面积为14.7万km2，北部喜玛拉雅地区及中部山区占尼泊尔国土面积的73%，大部分属丘陵地带，海拔1 000 m以上的土地占全国总面积的一半。南部特莱低地平原占国土面积的17%。人口约为2 800万，以农耕为主，农业人口占总人口约80%。全国耕地面积为325.1万hm2，人均耕地面积0.166 7 hm2，山多地少，耕地分布不均衡，主要分布在南部土壤肥沃的冲积低地平原地区。主要农作物有稻谷、玉米、小麦，经济作物主要是甘蔗、油料、烟草等。由于其特殊的地理环境和生产、生活习惯，耕地成为特别稀缺、重要的生存基础。

电站厂房位于巴恒高村右岸山体坡脚的滩地上，其上游为地形比较陡峻的岩岸，河水遇略凸出的岩壁折向左岸，形成并保护了相对稳定的山皮积滩地。尽管滩地范围不大，但由于平地、耕地奇缺，有此相对平坦、稳定，又临近河道的坡地吸引了附近居民来此建房居住，从滩地到山腰中上部逐渐开垦，多年来逐渐将其改造成为赖以生存的耕地。

电站厂房建成后，发电用水将经发电厂房尾水渠，携带着剩余能量，经过沿滩地边缘回归马蒂河。由于发电尾水渠出口的导向作用，回归的水流沿滩地边岸回归河道，必将淘刷右岸滩地坡脚，破坏原滩地岸坡的稳定，危及滩地耕地的安全。另外，为保证发电厂房建设、运行、维修养护等需要的进厂公路，亦布置在右岸滩地上，进厂公路在滩地边缘沿河道布置，厂区范围内路面高程为817.95 m左右。为确保现有的耕地不受损失或尽量减少损失，得到当地居民的支持和配合，以及工程在建设期、运行期间,进场交通道路的安全均要求对岸坡进行防护。

3 防护方案选择

两台发电机组的尾水从尾水管流出后，分别进入独立的分尾水渠，独立尾水渠净宽3.31 m、渠长约10 m，尾水渠底高程为805.30 m。其后汇入尾水总渠，尾水渠结构形式为U型混凝土结构，总渠净宽5 m、长约25 m。尾水渠顶设置盖板，渠顶可以交通，尾水渠出口底高程为810.50 m，正常尾水位（2台机满发时水位）为812.11 m。尾水渠在厂房后向右拐，水流沿尾水渠平顺进入下游马蒂河。

厂房附近的河道比降较陡，约为2.7%左右，流速很大。该段河道枯水期（10月至次年5月）宽度约30 m、水深1.5 m，枯水最大流量为161 m3/s，平均流速达5.5 m/s左右。由于比降大、流速急，多年的冲刷，将河床质细粒带走，导致现河底表部多为卵石、块石组成，并间有大漂石组成，主河槽覆盖厚度为0.5 m～2.5 m左右。

根据岸滩地形及河床质特点，对几种可能采用的防护结构进行了比选，分述如下：

1）坡式护岸。沿尾水渠右边墙为护岸底脚线，对岸坡进行削坡至稳定边坡，采用混凝土或砌石保护坡表面，这种方案优点是结构简单，费用较低，维护方便，但缺点是占地较多，暂不推荐。

2）坝式护岸。以适当的角度修筑短坝，将水流导向对岸，保护右岸滩的稳定。其优点是工程量小，费用比坡式护岸更低，不必因削坡增加占地，且河对岸为岩石，不会因丁坝的挑流作用引发对岸的冲刷，适用丁坝的建筑材料丰富，覆盖较薄，基础略加处理即可。缺点是本段河道发生洪水时流速较大，并夹带大量砾石、甚至滚石冲击丁坝，所以其结构型式要防止砾石、滚石的撞击破坏，如解决了这个问题，坝式护岸是不错的选择。

3）墙式护岸。顺尾水渠出口右岸滩地坡脚设置，最大优点是占地少、断面小、结构简单。缺点是建筑费用较高，对基础稳定及承载力要求较高。

由于本段河道右岸岸坡大部分陡于45°，削坡占地较多，坡式护岸不适用于该地。坝式护岸也可以应用到此处，但河道较窄，丁坝布置略有难度。墙式护岸占地少，该段河床质又为卵石、块石组成，且基岩埋深较浅，基础承载能力较高，比较适合此河段的防护要求。综上，确定护岸的基本结构型式采用墙式护岸。

4 结构设计与实施

通常采用的墙式护岸有重力式墙、衡重式墙、仰斜式墙结构。重力式墙施工简单，但基础开挖较宽，若尽量不影响滩地，则占河道断面较多，不适合采用。衡重式墙基础开挖较窄，但结构略复杂，也适应此工程部位，可以考虑采用。仰斜式墙结构基础开挖最窄，可以充分利用地形，采用合适的仰角，减少墙后压力，减薄墙的结构厚度，降低工程造价。另外，考虑到当地块石充足，河道内大块卵石、漂石很多，为充分利用这些当地建筑材料，最终确定的结构型式为钢筋石笼墙式护岸，防护长度为19 m。岩石埋深较浅部位，基础开挖至岩面，采用素混凝土回填至810.3～811.0 m高程，岩石埋深较大部位，基础加设1.0 m的护脚，在护脚顶面再加设0.5 m后素混凝土底板，底板顶面高程亦为810.3～811.0 m。钢筋石笼基本尺寸为1.5 m× 1.5 m，笼体内充填块石或粒径满足要求的砾卵石，钢筋笼体在素混凝土底板上逐层码放，每层笼体后移0.3 m，形成阶梯状。最上面一层为变高度笼体，笼体高度为1.0～1.7 m，以保证顶面平齐，护岸顶高程为818.0 m。笼体后采用砾卵石回填，回填料分层夯实，以减小沉降变形。为防止急流水中夹带的石块损坏钢筋，破坏笼体，导致防护结构失效，在钢筋石笼笼体迎水面加设30 cm厚钢筋混凝土护面，该层护面留有排水孔。为进一步保证墙体基础的安全，在墙式护岸的适当位置有加设两道短坝式护岸，间距为25 m。短丁坝斜向下游，坝顶高程为815.0 m，最大坝长10 m，坝顶长6.0 m，与墙式护岸呈60°夹角。丁坝坝体结构亦为钢筋混凝土石笼结构，分为3层，纵向每层退后2.0 m；顺河向底宽4.5 m，每层收缩1.5 m，顶宽1.5 m。该钢筋混凝土石笼墙结构充分利用了当地材料，相对经济，施工方便，因笼体内材料为块体较大的砾卵石、墙后回填砂卵石，透水性好，便于降低墙后渗透压力，钢筋混凝土护面又可确保笼体钢筋不被损坏，从而保证该护岸结构的安全可靠。短丁坝的设置增加了墙式护岸的安全保障，对河道的过流断面影响很小，有效减轻了对墙脚的淘刷，降低了运行风险和维护费用。经对钢筋混凝土防护墙的基底应力、抗倾覆及抗滑稳定等结构分析计算复核，安全度完全满足要求。

项目实施过程中，对钢筋混凝土防护墙及顶坝结构又进一步优化修改。为进一步减少削坡及钢筋石笼工程量，实施中将岸坡削清为1∶0.7，第一层钢筋笼设置距在坡脚线外20 cm处，笼体结构尺寸不变，笼后及其上部采用埋石混凝土仰斜式墙结构，斜墙底脚沿笼体前缘收回20 cm，即斜墙最大底宽为2.55 m，岸坡保持1∶0.7不变，至818.0 m高程时顶宽变为0.6 m，迎水坡坡比为1∶1.07～1∶1.03。短丁坝由钢筋石笼变为抗冲刷、抗撞击能力更强的埋石混凝土外包1.0 m厚的钢筋混凝土结构。改变后的结构均已实施，并投入使用，达到了设计预期目的。

5 讨论

1）该设计采用的护岸工程基本结构是常用的典型结构，由于是在特殊的建设环境，当地政府对可靠度要求很高，所以采取的结构措施偏于保守，致使工程造价偏高。

2）钢筋石笼结构虽然合理，适应变形能力较强，但外加钢筋混凝土保护，限制了自由变形，对笼内填料的密实度要求变的严格，均需人工摆放，需要有经验的施工人员操作，否则难以达到预期的效果。

3）短丁坝改为钢筋混凝土外壳保护的埋石混凝土结构，更加合理。因岩面埋深较浅，丁坝的基础容易坐落在岩石上，适合刚性结构。该段河道比降大，流速高，夹带的滚石对钢筋石笼有很强的破坏能力，笼体钢筋一旦破坏，笼子解体，短丁坝的根部与墙式护岸相连，则会连带导致墙式护岸的损坏，失去加设丁坝的最初目的。

4）护岸工程虽以投入使用，状况良好，得到业主及当地居民的认同，但目前运行时间还短，应加强巡视，观察变形情况，长远的效果尚待运行数年后才能进行准确的评价。

［1］张路青，杨志法．可用于边坡加固的层状网式钢筋石笼挡墙技术［J］.工程地质学报，2007，（1）．

［2］应强，焦志斌．丁坝水力学［M］.北京：海洋出版社，2004.

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2016-08-01