新疆托洪臺水電站引水渠輸水輸冰設(shè)計

摘要：文章通過實(shí)踐證明，調(diào)整渠道襯砌板的薄厚來抵抗防凍脹破壞是十分困難的。土、溫度和水分補(bǔ)給條件是形成凍脹差異的基本因素，應(yīng)從分析凍脹量、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性方面采取措施去消減或消除凍脹力，較為經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵詞：凍脹力；動力渠；坍塌淤積；冰凌壅漲堵塞

中圖分類號：TV672 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0136-02

1 工程概況

托洪臺水電站是位于新疆阿勒泰地區(qū)布爾津河西岸的引水式電站，電站裝機(jī)容量6500kW，于1993年破土動工，1995年正式投入運(yùn)行，根據(jù)該縣的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r和電力需求的不斷增加，缺電現(xiàn)象日益嚴(yán)重。為此，于2001年開始對該水電站進(jìn)行增容擴(kuò)建，新增擴(kuò)機(jī)容量4000MW，2002年正式投入運(yùn)行。該水電站由引水樞紐、引水渠、水庫、動力渠、壓力前池、壓力鋼管、廠房、尾水渠及附屬建筑物組成。其中原引水渠斷面較小，引水渠線總長12km，為無防滲的棄渣碎石堆砌護(hù)坡或砂礫石土渠，有多處填方段渠堤發(fā)生水毀現(xiàn)象，滲漏、坍塌淤積嚴(yán)重。

由于水電站的擴(kuò)建，原引水渠設(shè)計引水流量50m3/s增加到80m3/s，所需斷面變化較大，其引水樞紐及引水渠的輸水能力已嚴(yán)重影響到擴(kuò)建后水電站正常運(yùn)行，為盡量減少在施工期停水造成的發(fā)電經(jīng)濟(jì)損失，需盡量縮短施工工期。同時工程區(qū)地處嚴(yán)寒地區(qū)，引水渠受冰凍及地下水危害影響十分突出，這就給引水渠的改建和擴(kuò)建設(shè)計提出了新的技術(shù)難題。

2 改建引水渠道需研究的問題

托洪臺水電站工程區(qū)造成引水渠道破壞的主要原因是：受冰凍及地下水危害，引起滲漏、坍塌淤積嚴(yán)重，引水量不足，電站得不到正常合理運(yùn)行。同時根據(jù)布爾津河水文站提供的資料，布爾津河是泥砂含量較少、多冰凌河流，輸冰期長達(dá)58天，冰期161天，最大冰厚0.94m，最小冰厚0.63m，多年平均含沙量0.065m3/s，多年平均輸砂量39.5萬t。每年10月中旬至次年4月，是布爾津河的行凌期，年內(nèi)水量分配極不均勻，冬季水量較小，大量的冰凌堆積在河道中或順河漂流。而引水渠首無法排冰，大河冰凌全部進(jìn)入12km長的引水渠，引水樞紐和引水渠內(nèi)有大量冰凌通過，水面無法凍結(jié)形成完整冰蓋，造成兩岸掛冰、冰水夾層、大量冰凌壅漲堵塞渠道，產(chǎn)生渠堤凍脹破壞。

夏季由于原引水渠為無防滲的棄渣碎石堆砌護(hù)坡或砂礫石土質(zhì)渠道，滲漏嚴(yán)重，造成兩岸地下水位升高，部分地段地下水出露，形成沼澤，每年都有多處堤岸，由于地下水位較高和冬季氣候寒冷凍脹，而造成夏季汛期渠堤失穩(wěn)水毀，需投入大量的稅修費(fèi)用進(jìn)行修復(fù)工作。同時大量泥砂被帶入水庫造成庫內(nèi)淤積，直接造成水電站不能正常運(yùn)行，設(shè)備利用率降低。

3 改建引水渠道采取的措施

在設(shè)計改建引水渠道方案時，通過上述分析，其主要矛盾是輸水、輸冰、防凍、降低地下水問題。有針對性地進(jìn)行方案設(shè)計比較工作，確定了設(shè)計原則及處理措施。

（1）電站多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，渠道來冰以三種形態(tài)分布，表層浮冰、岸冰及潛入水下的冰凌雪團(tuán)。在渠系建筑物或彎道等水流變化處，均有可能形成冰塞或局部壅塞，如果輸冰不暢，冰凌相互粘結(jié)，水面形成的冰塞向上游推進(jìn)，迫使引渠水流受阻，來冰下潛，很快造成渠內(nèi)冰凌和冰層淤增，最終引水渠凍結(jié)。所以針對防冰行之有效的措施是盡可能減少回流現(xiàn)象，增加水流速度，提高引渠輸冰能力，排除冰棱及冰水淤增。

（2）應(yīng)盡可能引導(dǎo)控制水流從引水渠向水庫平穩(wěn)過渡和均勻配水，要求汛期渠內(nèi)的流態(tài)平穩(wěn)，流速均勻；冬季小流量輸水時，要保證輸冰流速不低于1.2m/s，從而保證水面不凍結(jié)形成冰蓋，起到消除冰水夾層和大量冰凌堵塞渠道，以利于引水渠兩岸局部岸冰的集中處理和清除。

（3）由于原渠床為寬淺式的過水?dāng)嗝妫钶^淺。而加大引水渠斷面規(guī)模，在冬季天然來水量較小的特殊工況下，難以保證引渠所需輸冰水頭和流速。要解決此矛盾，最有效的措施是調(diào)整縱坡和改變斷面型式，即變梯形斷面為梯弧形斷面，以增加所需流速和輸冰水頭。

（4）原引水渠是修建在較平坦的沖積平原，基本為全挖方斷面和半挖半填斷面，兩岸無橫向排水出路，控制和降低地下水位已十分困難。最為適宜的方案是利用原渠線進(jìn)行改建正向引水，沿渠線底部設(shè)置縱向排水，改變襯砌結(jié)構(gòu)。

通過對設(shè)計原則的確定，結(jié)合托洪臺水電站工程實(shí)際調(diào)查，確定了最終方案：即原引水樞紐孔口較大，無需改建。但由于單寬流量的加大，造成引水樞紐后原消力池的消能不充分，消力池與引水渠之間采用弧線連接，護(hù)坦段產(chǎn)生回流沖刷破壞。因此，必須改建。消力池的設(shè)計布置是由引水樞紐后調(diào)整漸變段，對原消力進(jìn)行改擴(kuò)建，加大池深和渠底寬度，由原池深0.5m改為1.2m，由原渠寬5.0m改為8.0m，后經(jīng)250m轉(zhuǎn)彎段與引水渠平順連接。

引水渠全長12.6km。引水坡度由原1/2700～1/2500縱坡調(diào)整到1/2000，由消力池末端渠0+000樁號～渠1+1600段采用砼襯砌，梯弧型斷面。由渠1+1600樁號～渠5+600段采用漿砌石襯砌，梯弧型斷面。由渠5+600樁號～渠12+600段采用干砌石襯砌，梯弧型斷面。將原渠底寬3.0m擴(kuò)建至5.0m，采用塑膜防滲。

采用梯弧型斷面的設(shè)計處理的主要特點(diǎn)是：冬季水面寬度較小，引水渠底板做成弧形增加抗凍脹性和增加渠內(nèi)水深，保證冬季引水輸冰水位，以滿足1.2m/s流速、分層排冰的運(yùn)行要求。同時盡量消除流道因局部斷面改變引起的阻冰因素。使部分下潛冰凌浮起，又不至于引起冰凌在各交叉建筑物處淤塞而平穩(wěn)通過；夏季該斷面平均流速達(dá)1.47m/s，不會造成泥沙淤積。

渠系交叉建筑物的處理設(shè)計是：原橫跨引水渠的漿砌石拱形牧道橋，過水?dāng)嗝鏋榫匦危幱谯账疇顟B(tài)，汛期和冬季輸水、輸冰均在極限狀態(tài)強(qiáng)行運(yùn)行，效果極差。改建方案是在橋前設(shè)置兩個大小不同的梯弧形漸變段，橋后設(shè)置跌水，過水?dāng)嗝娓某苫⌒?，牧道橋基礎(chǔ)和原橋結(jié)構(gòu)保持不變，即降低了施工難度、節(jié)省工程量，又解決了水流

流態(tài)。

4 工程改擴(kuò)建前后運(yùn)行對比

托洪臺水電站改擴(kuò)建后已運(yùn)行十多年，改建前后對比十分顯著。改建后引水渠輸水、輸冰順暢，未發(fā)生冰凌阻塞和滲漏造成的渠道凍脹破壞，輸水條件明顯改觀。十多年內(nèi)均無發(fā)生引水渠破壞造成機(jī)組停機(jī)停電，設(shè)備利用率降低等問題；原牧道橋處壅水現(xiàn)象、冬季冰塞問題完全得到改善，通過運(yùn)行驗(yàn)證，12km引水渠上設(shè)的座牧道橋，只有少量岸冰堆積，未發(fā)現(xiàn)泄水不暢和冰棱阻塞現(xiàn)象。

（1）總結(jié)引水渠設(shè)計，通過實(shí)踐證明，渠線選擇應(yīng)盡量選擇避開高地下水位區(qū)，避免渠道襯砌發(fā)生凍脹破壞的危害。因此在今后渠道選線時，凍脹、地下水位高低的確定等是一個不容忽略的問題。

（2）針對輸水、輸冰的成功之處，其一是增加水深滿足排冰要求，其二是提高冬季渠道排冰流速（≥1.2m/s），增大轉(zhuǎn)彎半徑（≥10倍水面寬），其三是冰面至渠頂?shù)某弑瘸Ｒ?guī)計算超高高出0.4m以上，其四是采用塑膜防滲，設(shè)置縱向排水，通過一年多運(yùn)行兩岸沼澤區(qū)面積明顯減少。

（3）通過實(shí)踐證明，由調(diào)整渠道襯砌板的薄、厚來抵抗防凍脹破壞是十分困難的?；恋膬雒浟κ且环N體積力，而從適應(yīng)、消減或消除凍脹等方面采取措施，較為經(jīng)濟(jì)合理。因此，襯砌渠道是一種線路性工程，土、水、溫度是形成凍脹差異的基本因素，對不同凍脹量渠段應(yīng)采用不同的抗凍脹措施，才能滿足結(jié)構(gòu)抗凍脹穩(wěn)定性需求。同時還必須根據(jù)沿渠的土質(zhì)、水分補(bǔ)給條件和溫度的變化情況分段進(jìn)行。

作者簡介：王峰（1965—），男（回族），新疆烏魯木齊人，水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院高級工程師，研究方向：水工建筑物設(shè)計。