ZG水电站尾水建筑物设计与研究

陈铭

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程简介

ZG 水电站为引水式电站，上游为ATS 水利枢纽，下游为QMS 水电站，根据流域控制性工程总体布局，工程开发任务是在保证减少河段灌溉和生态用水的基础上进行水力发电，并承担ATS 水利枢纽工程发电反调节任务。工程主要由拦河引水枢纽、输水建筑物、前池、压力管道及电站厂房等主要建筑物组成。工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，电站装机容量为180 MW，额定水头为54.000 m，发电流量为367.20 m3/s。

2 尾水建筑物地质条件

尾水渠位于洪积平原及现代河床内，出露地层岩性为全新统洪积含土砾石、粉土、全新统冲积砂卵砾石层、中更新统冲积砂卵砾石层；枯水期，洪积平原段地下水埋深为3.000～31.000 m，现代河床地下水位埋深为0.500～1.000 m。尾水渠挖深7.000～59.000 m，渠基处于中更新统冲积Q2al砂卵砾石层和全新统冲积Q4al砂卵砾石层内。砂砾石层属强透水层，施工时须加强基坑排水。地下水对混凝土结构、混凝土结构中钢筋及钢结构具有中等腐蚀性，须进行防腐处理。

3 尾水建筑物设计

水电站尾水建筑物主要作用就是将经过水轮机吸收利用后的尾水平顺地排泄至下游河床，在布置上应尽可能做到使水流平顺、流态平稳、水力损失小，同时力求工程造价低[1]。

3.1 渠线设计

工程位于梯级水电开发中间位置，为充分利用发电水头，尾水投入下游工程库区可保证水位顺接[2]。该工程选定了两个厂址：厂址一尾水渠长度布设最短，但穿越村庄房屋较多；为减小移民占地投资，厂址二在厂址一的基础上将厂房位置往上游移动约1.4 km。通过综合经济比选，推荐厂址二，厂房布置于拦河引水枢纽下游约8.8 km 的河道右岸洪积平原上。在尽可能少占房屋和耕地的前提下，尾水渠前段避开养殖场和石膏厂，尾水渠横跨乡村道路后沿一现状冲沟布置，在避开河床边一砖厂后拐弯布置于河道右岸，最终投入下游工程库尾，右侧渠堤与其副坝连接，尾水渠总长度约为2.6 km[3]。

3.2 尾水渠断面、纵坡设计

根据推荐的渠线布置方案，尾水渠后段（现代河床段）纵坡为0.2%～0.3%，但考虑到工程的额定水头，若尾水渠也采用原地面纵坡，水头损失为5.200～7.800 m，占总水头的9.6%～14.4%，电量损失较大，为保证发电效益，尾水渠纵坡宜较缓设置；考虑到尾水渠设计流量的规模较大，尾水渠采用底宽为20.000 m、边坡为1∶2 的梯形断面，纵坡取1/4 000，采用现浇混凝土衬砌，此时，在全部机组发电的引用流量下，尾水渠流速为2.45 m/s，水深为5.000 m[4]。

3.3 尾水建筑物布置

尾水建筑物包括尾水闸墩、尾水反坡及尾水渠。尾水闸墩平面尺寸为70.240 m×9.000 m（长×宽），尾水平台高程为1 559.000 m，尾水孔口尺寸为4.765 m×4.171 m（宽×高），共8 孔，尾水闸墩后接尾水反坡。为减少开挖及混凝土结构工程量，尾水反坡段采用变底宽和降低尾水反坡边墙顶高程的措施，底板宽度由62.330 m 渐变至47.000 m，尾水反坡边墙顶高程为1 553.090 m。尾水反坡底坡坡比为1∶4、长39.920 m，反坡段为矩形断面，底板采用现浇钢筋混凝土板，厚度为0.400 m，边墙结构采用扶壁式挡墙，挡墙高度为16.547～7.500 m。考虑地下水位较高，尾水反坡挡墙及底板均设置排水孔，排水孔直径为100 mm，挡墙在1 551.650 m高程设置1 排排水孔，排水孔间距为2.000 m，底板排水孔间、排距均为2.000 m，排水孔深入基础部位的部分采用无纺布包裹，尾水反坡后接尾水渠。尾水渠长2 671.600 m，依次由扭面段、梯形尾水明渠、扩散段组成。扭面段长50.000 m，由矩形断面渐变为梯形断面，底板宽度由47.000 m 渐变至20.000 m，纵坡为1/4 000，扭面段后接梯形尾水明渠；梯形尾水明渠段长2 550.000 m，采用底宽为20.000 m、边坡为1∶2 的梯形断面，渠道衬砌高度为7.500 m，渠道纵坡为1/4 000，采用现浇素混凝土板衬砌，边板、底板厚度均为150 mm，梯形尾水明渠后接扩散段；扩散段长71.600 m，底板宽度由20.000 m 渐变至75.300 m；扩散段末端右侧渠堤继续往前延伸与QMS 水电站副坝连接，考虑尾水渠地下水位较高，尾水渠边坡及底板均设置排水孔，排水孔孔径、间距、排距布置同前。

4 尾水水力学计算

常规情况下，尾水渠出口水位为断面天然河道水位，因该工程尾水渠末端投入下游梯级QMS水电站的库区，故需要考虑QMS 库水位回水的影响，最终取两者的较大值作为尾水渠出口水位，本文按明渠恒定渐变流水面线的推算方法求得尾水渠始端水位（厂房尾水位）[5]。根据下游QMS 工程运行方式，当拦河引水枢纽来水流量大于发电引水流量和泄洪冲沙闸泄流能力时，闸前水位逐渐从正常蓄水位上升至最高水位（主要集中在每年7—8 月），其余时间保持正常蓄水位（1 550.000 m）运行。尾水渠投入点水位～流量关系见表1。由表1可知，受下游工程回水影响，尾水渠投入点水位均高于天然河道水位。

表1 尾水渠投入点水位流量关系表

正常尾水位按4 台机组发电，引用流量为367.20 m3/s，回水至尾水渠末端水位为1 550.150 m，反推厂房位置相应尾水位为1 551.180 m；设计尾水位按1 台机组发电，引用流量为91.80 m3/s，回水至尾水渠末端水位为1 550.150 m，反推厂房位置相应尾水位为1 550.440 m。

厂房设计洪水位按经上游ATS 水利枢纽工程调蓄后，P=1.0%（重现期为100 年一遇）频率时的最大下泄流量为5 265.00 m3/s，回水至尾水渠末端水位为1 551.840 m，反推厂房位置相应尾水位为1 552.160 m；校核洪水按经上游ATS 水利枢纽工程调蓄后，P=0.5%（重现期为200 年一遇）频率时的最大下泄流量为5 656.00 m3/s，回水至尾水渠末端水位为1 552.000 m，反推厂房位置相应尾水位为1 552.290 m。

5 工程实施中遇到的问题及处理措施

5.1 地下水问题

根据地质资料，尾水渠现代河床段地下水位埋深较浅，同时，下游梯级QMS 水电站已建成蓄水，尾水渠在施工过程中受地下水影响尤为突出。针对此问题，施工单位分别在桩号1+180.000，1+520.000，2+000.000，2+640.000 m 底板处共布置了4 个泵坑，安装8 台1 260 m3/h 的离心水泵进行抽排，此方法可有效降低地下水位，并使之维持在尾水渠底板以上15～20 cm。施工单位采取相关措施对底板衬砌混凝土进行浇筑，但由于外水压力过大，出现了细颗粒从底板排水管内被带出的现象，同时，由于底板内积水，底板勾缝处理无法得到有效实施。针对上述问题的处理措施：1）对出现细颗粒被带出的排水管，在排水管内塞填用无纺布包裹的5～20 mm 粒径的小石，在能满足施工条件的情况下，进行底板勾缝处理；2）对抽排水产生的泵坑底部采用均匀块石抛填，表层接近底板设计高程50 cm处采用钢筋石笼内套格宾石笼的方式吊装下放，石笼内装填20～30 cm大小的砂砾石。

5.2 左侧渠堤冲毁问题

根据原设计方案，尾水渠左侧布置有7-1 号渣场，渣场左侧布置有C3 料场，7-1 号渣场末端位于尾水渠桩号2+442.250 m 附近，渣场设计顶高程为1 561.000 m，最窄处宽69.000 m，可满足尾水渠左侧防洪要求，为节省工程投资，不再专门设置左侧防洪堤。但在现场实施过程中，7-1 号渣场只设置到尾水渠桩号1+800.000 m 附近，同时，因为C3 料场取料后并未回填料坑，在渣场左侧砂砾石取料坑内积水水面高程约为1 554.182 m，且多次翻顶并冲毁了部分尾水渠左侧渠堤，对尾水渠运行造成了安全隐患。

为保证工程运行安全，在尾水渠开口线左侧增加1 道防洪堤和1 道截水沟，防洪堤起点顺接7-1 号实际弃渣场边线，为保证不超出征地范围，防洪堤末点设置至尾水渠桩号2+442.250 m，平面轴线根据现场实际情况确定。截水沟中心线距离尾水渠左侧开口边线50.000 m，截水沟起点底高程为1 550.500 m，纵坡为1/2 000，截水沟深度为3.000 m，底宽为3.000 m，开挖边坡为1∶2.5；防洪堤布置于截水沟与尾水渠之间，与截水沟净距为15.000 m，防洪堤高3.000 m，堤顶宽3.000 m，两侧边坡为1∶2，防洪堤及截水沟横剖面见图1[6]。

图1 防洪堤及截水沟横剖面图（单位：cm）

6 结语

目前，ZG 水电站4 台机组已全部并网发电，尾水渠运行良好。对位于梯级水电开发中间位置的水电站工程，为了保证有效水头，可采用纵坡较缓的长尾水渠以增加发电效益；在工程条件许可的条件下，可从方案设计和建设施工等方面采取措施以减小地下水位对建筑物的影响，同时，尽可能在尾水渠临水侧设置专用永久防洪堤以提高工程的安全性。