某水電站尾水出口防護(hù)設(shè)計(jì)

林瀟

（上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

某水電站尾水出口防護(hù)設(shè)計(jì)

林瀟

（上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

某水電站位于尼泊爾的中部山區(qū)，發(fā)電廠房建在右岸灘地位置，占據(jù)了部分耕地，該區(qū)以農(nóng)耕為主，耕地匱乏。發(fā)電尾水又將沖刷灘地引發(fā)農(nóng)田受損，設(shè)計(jì)階段根據(jù)工程所處的地質(zhì)、地形、河床質(zhì)條件，結(jié)合建材、施工難度及運(yùn)行管理要求，進(jìn)行不同防護(hù)結(jié)構(gòu)型式比選，確定了合理的設(shè)計(jì)方案，實(shí)施過程又根據(jù)施工條件進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目的。

尾水出口防護(hù)；仰斜式擋墻結(jié)構(gòu)；埋石混凝土

1 項(xiàng)目概況

某水電站距離尼泊爾第二大城市博克拉約19 km，位于尼泊爾西部馬蒂河的上中游，常蘇村與巴恒高之間河段上，為引水式電站。馬蒂河發(fā)源于喜馬拉雅山脈南麓的東部阿娜普納雪山區(qū)，自北向南流向，工程壩址以上流域面積375 km2，多年平均年降雨量約2 853 mm。尼泊爾主雨季為夏季的6—9月，東南季風(fēng)帶來整年大約80%的降雨。工程所在地區(qū)暴雨主要發(fā)生在每年的6—9月，工程區(qū)域內(nèi)極端最高氣溫34℃，極端最低氣溫3.8℃。該區(qū)地形屬于中等高度山區(qū)。

首部樞紐位于常蘇村，攔河壩為敞開式混凝土溢流壩，沖砂閘、引水隧洞均布置在右岸。攔河壩為低壩溢流堰型，水位超出堰頂高程則自由溢流；沖砂閘位于攔河壩右側(cè)，沖砂閘除用于拉砂外，汛期參與泄洪；沉砂池位于沖砂閘右側(cè)，發(fā)電引水水位為936.20 m，水流經(jīng)過沉砂池的沉淀后通過引水隧洞進(jìn)入機(jī)組，從而保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。右岸引水隧洞總長度4.23 km，期間形成了120 m的發(fā)電水頭。廠房位于壩下游約4.8 km處巴恒高村右岸山體坡腳的灘地上，地勢相對平坦，適合布置地面廠房及廠區(qū)建筑物。電站設(shè)計(jì)引用流量為25.5m3/s，輸水隧洞洞徑為4.5m，安裝2臺機(jī)組，單機(jī)容量為12.5MW。最大設(shè)計(jì)水頭126.00 m，最小水頭119.00 m，額定水頭為120.00 m，發(fā)電量為13 309萬kW·h。

2 防護(hù)要求

尼泊爾國土面積為14.7萬km2，北部喜瑪拉雅地區(qū)及中部山區(qū)占尼泊爾國土面積的73%，大部分屬丘陵地帶，海拔1 000 m以上的土地占全國總面積的一半。南部特萊低地平原占國土面積的17%。人口約為2 800萬，以農(nóng)耕為主，農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诩s80%。全國耕地面積為325.1萬hm2，人均耕地面積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沖積低地平原地區(qū)。主要農(nóng)作物有稻谷、玉米、小麥，經(jīng)濟(jì)作物主要是甘蔗、油料、煙草等。由于其特殊的地理環(huán)境和生產(chǎn)、生活習(xí)慣，耕地成為特別稀缺、重要的生存基礎(chǔ)。

電站廠房位于巴恒高村右岸山體坡腳的灘地上，其上游為地形比較陡峻的巖岸，河水遇略凸出的巖壁折向左岸，形成并保護(hù)了相對穩(wěn)定的山皮積灘地。盡管灘地范圍不大，但由于平地、耕地奇缺，有此相對平坦、穩(wěn)定，又臨近河道的坡地吸引了附近居民來此建房居住，從灘地到山腰中上部逐漸開墾，多年來逐漸將其改造成為賴以生存的耕地。

電站廠房建成后，發(fā)電用水將經(jīng)發(fā)電廠房尾水渠，攜帶著剩余能量，經(jīng)過沿灘地邊緣回歸馬蒂河。由于發(fā)電尾水渠出口的導(dǎo)向作用，回歸的水流沿灘地邊岸回歸河道，必將淘刷右岸灘地坡腳，破壞原灘地岸坡的穩(wěn)定，危及灘地耕地的安全。另外，為保證發(fā)電廠房建設(shè)、運(yùn)行、維修養(yǎng)護(hù)等需要的進(jìn)廠公路，亦布置在右岸灘地上，進(jìn)廠公路在灘地邊緣沿河道布置，廠區(qū)范圍內(nèi)路面高程為817.95 m左右。為確?，F(xiàn)有的耕地不受損失或盡量減少損失，得到當(dāng)?shù)鼐用竦闹С趾团浜?，以及工程在建設(shè)期、運(yùn)行期間,進(jìn)場交通道路的安全均要求對岸坡進(jìn)行防護(hù)。

3 防護(hù)方案選擇

兩臺發(fā)電機(jī)組的尾水從尾水管流出后，分別進(jìn)入獨(dú)立的分尾水渠，獨(dú)立尾水渠凈寬3.31 m、渠長約10 m，尾水渠底高程為805.30 m。其后匯入尾水總渠，尾水渠結(jié)構(gòu)形式為U型混凝土結(jié)構(gòu)，總渠凈寬5 m、長約25 m。尾水渠頂設(shè)置蓋板，渠頂可以交通，尾水渠出口底高程為810.50 m，正常尾水位（2臺機(jī)滿發(fā)時(shí)水位）為812.11 m。尾水渠在廠房后向右拐，水流沿尾水渠平順進(jìn)入下游馬蒂河。

廠房附近的河道比降較陡，約為2.7%左右，流速很大。該段河道枯水期（10月至次年5月）寬度約30 m、水深1.5 m，枯水最大流量為161 m3/s，平均流速達(dá)5.5 m/s左右。由于比降大、流速急，多年的沖刷，將河床質(zhì)細(xì)粒帶走，導(dǎo)致現(xiàn)河底表部多為卵石、塊石組成，并間有大漂石組成，主河槽覆蓋厚度為0.5 m～2.5 m左右。

根據(jù)岸灘地形及河床質(zhì)特點(diǎn)，對幾種可能采用的防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比選，分述如下：

1）坡式護(hù)岸。沿尾水渠右邊墻為護(hù)岸底腳線，對岸坡進(jìn)行削坡至穩(wěn)定邊坡，采用混凝土或砌石保護(hù)坡表面，這種方案優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，費(fèi)用較低，維護(hù)方便，但缺點(diǎn)是占地較多，暫不推薦。

2）壩式護(hù)岸。以適當(dāng)?shù)慕嵌刃拗虊危瑢⑺鲗?dǎo)向?qū)Π?，保護(hù)右岸灘的穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)是工程量小，費(fèi)用比坡式護(hù)岸更低，不必因削坡增加占地，且河對岸為巖石，不會因丁壩的挑流作用引發(fā)對岸的沖刷，適用丁壩的建筑材料豐富，覆蓋較薄，基礎(chǔ)略加處理即可。缺點(diǎn)是本段河道發(fā)生洪水時(shí)流速較大，并夾帶大量礫石、甚至滾石沖擊丁壩，所以其結(jié)構(gòu)型式要防止礫石、滾石的撞擊破壞，如解決了這個(gè)問題，壩式護(hù)岸是不錯(cuò)的選擇。

3）墻式護(hù)岸。順尾水渠出口右岸灘地坡腳設(shè)置，最大優(yōu)點(diǎn)是占地少、斷面小、結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)是建筑費(fèi)用較高，對基礎(chǔ)穩(wěn)定及承載力要求較高。

由于本段河道右岸岸坡大部分陡于45°，削坡占地較多，坡式護(hù)岸不適用于該地。壩式護(hù)岸也可以應(yīng)用到此處，但河道較窄，丁壩布置略有難度。墻式護(hù)岸占地少，該段河床質(zhì)又為卵石、塊石組成，且基巖埋深較淺，基礎(chǔ)承載能力較高，比較適合此河段的防護(hù)要求。綜上，確定護(hù)岸的基本結(jié)構(gòu)型式采用墻式護(hù)岸。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)施

通常采用的墻式護(hù)岸有重力式墻、衡重式墻、仰斜式墻結(jié)構(gòu)。重力式墻施工簡單，但基礎(chǔ)開挖較寬，若盡量不影響灘地，則占河道斷面較多，不適合采用。衡重式墻基礎(chǔ)開挖較窄，但結(jié)構(gòu)略復(fù)雜，也適應(yīng)此工程部位，可以考慮采用。仰斜式墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)開挖最窄，可以充分利用地形，采用合適的仰角，減少墻后壓力，減薄墻的結(jié)構(gòu)厚度，降低工程造價(jià)。另外，考慮到當(dāng)?shù)貕K石充足，河道內(nèi)大塊卵石、漂石很多，為充分利用這些當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?，最終確定的結(jié)構(gòu)型式為鋼筋石籠墻式護(hù)岸，防護(hù)長度為19 m。巖石埋深較淺部位，基礎(chǔ)開挖至巖面，采用素混凝土回填至810.3～811.0 m高程，巖石埋深較大部位，基礎(chǔ)加設(shè)1.0 m的護(hù)腳，在護(hù)腳頂面再加設(shè)0.5 m后素混凝土底板，底板頂面高程亦為810.3～811.0 m。鋼筋石籠基本尺寸為1.5 m× 1.5 m，籠體內(nèi)充填塊石或粒徑滿足要求的礫卵石，鋼筋籠體在素混凝土底板上逐層碼放，每層籠體后移0.3 m，形成階梯狀。最上面一層為變高度籠體，籠體高度為1.0～1.7 m，以保證頂面平齊，護(hù)岸頂高程為818.0 m?；\體后采用礫卵石回填，回填料分層夯實(shí)，以減小沉降變形。為防止急流水中夾帶的石塊損壞鋼筋，破壞籠體，導(dǎo)致防護(hù)結(jié)構(gòu)失效，在鋼筋石籠籠體迎水面加設(shè)30 cm厚鋼筋混凝土護(hù)面，該層護(hù)面留有排水孔。為進(jìn)一步保證墻體基礎(chǔ)的安全，在墻式護(hù)岸的適當(dāng)位置有加設(shè)兩道短壩式護(hù)岸，間距為25 m。短丁壩斜向下游，壩頂高程為815.0 m，最大壩長10 m，壩頂長6.0 m，與墻式護(hù)岸呈60°夾角。丁壩壩體結(jié)構(gòu)亦為鋼筋混凝土石籠結(jié)構(gòu)，分為3層，縱向每層退后2.0 m；順河向底寬4.5 m，每層收縮1.5 m，頂寬1.5 m。該鋼筋混凝土石籠墻結(jié)構(gòu)充分利用了當(dāng)?shù)夭牧?，相對?jīng)濟(jì)，施工方便，因籠體內(nèi)材料為塊體較大的礫卵石、墻后回填砂卵石，透水性好，便于降低墻后滲透壓力，鋼筋混凝土護(hù)面又可確保籠體鋼筋不被損壞，從而保證該護(hù)岸結(jié)構(gòu)的安全可靠。短丁壩的設(shè)置增加了墻式護(hù)岸的安全保障，對河道的過流斷面影響很小，有效減輕了對墻腳的淘刷，降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)費(fèi)用。經(jīng)對鋼筋混凝土防護(hù)墻的基底應(yīng)力、抗傾覆及抗滑穩(wěn)定等結(jié)構(gòu)分析計(jì)算復(fù)核，安全度完全滿足要求。

項(xiàng)目實(shí)施過程中，對鋼筋混凝土防護(hù)墻及頂壩結(jié)構(gòu)又進(jìn)一步優(yōu)化修改。為進(jìn)一步減少削坡及鋼筋石籠工程量，實(shí)施中將岸坡削清為1∶0.7，第一層鋼筋籠設(shè)置距在坡腳線外20 cm處，籠體結(jié)構(gòu)尺寸不變，籠后及其上部采用埋石混凝土仰斜式墻結(jié)構(gòu)，斜墻底腳沿籠體前緣收回20 cm，即斜墻最大底寬為2.55 m，岸坡保持1∶0.7不變，至818.0 m高程時(shí)頂寬變?yōu)?.6 m，迎水坡坡比為1∶1.07～1∶1.03。短丁壩由鋼筋石籠變?yōu)榭箾_刷、抗撞擊能力更強(qiáng)的埋石混凝土外包1.0 m厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。改變后的結(jié)構(gòu)均已實(shí)施，并投入使用，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目的。

5 討論

1）該設(shè)計(jì)采用的護(hù)岸工程基本結(jié)構(gòu)是常用的典型結(jié)構(gòu)，由于是在特殊的建設(shè)環(huán)境，當(dāng)?shù)卣畬煽慷纫蠛芨?，所以采取的結(jié)構(gòu)措施偏于保守，致使工程造價(jià)偏高。

2）鋼筋石籠結(jié)構(gòu)雖然合理，適應(yīng)變形能力較強(qiáng)，但外加鋼筋混凝土保護(hù)，限制了自由變形，對籠內(nèi)填料的密實(shí)度要求變的嚴(yán)格，均需人工擺放，需要有經(jīng)驗(yàn)的施工人員操作，否則難以達(dá)到預(yù)期的效果。

3）短丁壩改為鋼筋混凝土外殼保護(hù)的埋石混凝土結(jié)構(gòu)，更加合理。因巖面埋深較淺，丁壩的基礎(chǔ)容易坐落在巖石上，適合剛性結(jié)構(gòu)。該段河道比降大，流速高，夾帶的滾石對鋼筋石籠有很強(qiáng)的破壞能力，籠體鋼筋一旦破壞，籠子解體，短丁壩的根部與墻式護(hù)岸相連，則會連帶導(dǎo)致墻式護(hù)岸的損壞，失去加設(shè)丁壩的最初目的。

4）護(hù)岸工程雖以投入使用，狀況良好，得到業(yè)主及當(dāng)?shù)鼐用竦恼J(rèn)同，但目前運(yùn)行時(shí)間還短，應(yīng)加強(qiáng)巡視，觀察變形情況，長遠(yuǎn)的效果尚待運(yùn)行數(shù)年后才能進(jìn)行準(zhǔn)確的評價(jià)。

［1］張路青，楊志法．可用于邊坡加固的層狀網(wǎng)式鋼筋石籠擋墻技術(shù)［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，（1）．

［2］應(yīng)強(qiáng)，焦志斌．丁壩水力學(xué)［M］.北京：海洋出版社，2004.

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