喀麥隆曼維萊水電站輸水明渠襯砌方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 淼 包第嘯 郭 強(qiáng) 薛立宇

喀麥隆曼維萊水電站輸水明渠襯砌方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 淼 包第嘯 郭 強(qiáng) 薛立宇

通過(guò)詳細(xì)地分析計(jì)算得出渠道計(jì)算斷面最大滲漏量為2.8×10-5m3/(s·m)，全線滲漏量很小，因此，決定將渠道過(guò)水全斷面由不透水襯砌調(diào)整為透水襯砌，即在混凝土襯砌的渠道邊坡和底板上設(shè)置系統(tǒng)排水孔，以便于渠道水位驟降時(shí)迅速降低混凝土襯砌下的水壓力，同時(shí)保留了混凝土襯砌板底部的反濾排水料、增設(shè)了反濾土工布。另外，結(jié)合工程所在地區(qū)氣候溫和的特點(diǎn)，優(yōu)化了輸水明渠混凝土板的施工分縫，在此基礎(chǔ)上將原鋼筋混凝土襯砌板優(yōu)化調(diào)整為素混凝土襯砌板，加快了施工進(jìn)度，該方案的優(yōu)越性在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中已經(jīng)得到了充分體現(xiàn)。

輸水明渠 混凝土襯砌 施工分縫 優(yōu)化

曼維萊水電站工程水庫(kù)總庫(kù)容為1.3億m3，電站裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)容量52.75 MW，總裝機(jī)容量211 MW。工程主要建筑物由首部擋水和泄水建筑物以及位于工程區(qū)左岸的引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等組成。

引水發(fā)電系統(tǒng)采用輸水明渠引水、半地下式廠房加長(zhǎng)尾水隧洞方案，主要由渠道進(jìn)水口、輸水明渠、天然前池、二道壩、電站進(jìn)水口、壓力管道、半地下式發(fā)電廠房、尾水管及尾水閘門井、尾水調(diào)壓室(洞)以及尾水隧洞等建筑物組成。

1 設(shè)計(jì)方案比選

在項(xiàng)目前期可研階段及合同文件《曼維萊水電站建設(shè)方案技術(shù)建議書》中，渠道襯砌采取不透水襯砌型式，即過(guò)水?dāng)嗝嫒珨嗝娌捎娩摻罨炷烈r砌，襯砌板之間的永久伸縮縫設(shè)置止水帶，襯砌板下部設(shè)置30 cm厚的反濾透水層，渠坡兩側(cè)坡腳透水層內(nèi)設(shè)置兩根沿渠線方向的Φ300 mm的排水管，在渠堤兩側(cè)每隔一定的距離布置集水井并設(shè)置水泵進(jìn)行抽水，以降低渠堤內(nèi)的地下水，確保渠坡及混凝土襯砌板的穩(wěn)定，該方案是國(guó)外渠道襯砌排水的常規(guī)方案。

詳細(xì)初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)最新地質(zhì)勘察成果，發(fā)現(xiàn)渠道挖方段渠坡、渠底所涉及的土層——?dú)埛e土層、強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層，滲透系數(shù)均小于10-4cm/s；渠道填方段采用的基礎(chǔ)換填土和堤身土壓實(shí)后的滲透系數(shù)亦都小于10-4cm/s，輸水明渠渠身、渠底土體、巖體滲透性都較弱。通過(guò)詳細(xì)的分析計(jì)算得出渠道計(jì)算斷面最大滲漏量為2.8×10-5m3/(s·m)，全線滲漏量很小，因此，決定將渠道過(guò)水全斷面由不透水襯砌調(diào)整為透水襯砌，即在混凝土襯砌的渠道邊坡和底板上設(shè)置系統(tǒng)排水孔，以便于渠道水位驟降時(shí)迅速降低混凝土襯砌下的水壓力，避免混凝土襯砌被地下水頂托破壞，同時(shí)保留了混凝土襯砌板底部的反濾排水料、增設(shè)了反濾土工布。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算分析打消了法國(guó)科恩公司的咨詢工程師對(duì)系統(tǒng)排水管被淤堵以及渠道滲漏損失水量大的疑慮，最終同意渠道排水方案的調(diào)整。

另外，輸水明渠襯砌混凝土板合同中確定的是鋼筋混凝土板襯砌，結(jié)合工程所在地區(qū)氣候溫和的特點(diǎn)，同時(shí)優(yōu)化了混凝土板的施工分縫，除了垂直水流向每隔4 m設(shè)置永久伸縮縫外，順?biāo)飨騽t每隔4 m及時(shí)對(duì)混凝土板進(jìn)行人工切割半縫，在此基礎(chǔ)上將原鋼筋混凝土襯砌板優(yōu)化調(diào)整為素混凝土襯砌板，節(jié)約鋼筋約1 200 t。

2 輸水明渠斷面設(shè)計(jì)

本工程輸水明渠為大型渠道，渠道設(shè)計(jì)斷面尺寸確定首先要滿足渠道的過(guò)流能力和不沖不淤的要求，在此前提下還要便于機(jī)械化施工和運(yùn)行維修管理。綜合考慮渠道沿線地質(zhì)條件、運(yùn)行條件及工程施工條件等因素，本項(xiàng)目采用梯形明渠斷面。梯形斷面具有施工方便、技術(shù)成熟、邊坡穩(wěn)定、運(yùn)行管理和維修方便以及對(duì)地形、地質(zhì)無(wú)特殊要求的有利因素。

根據(jù)地質(zhì)條件，將渠道分為土方、石方兩種類型段。最終確定的土、石方渠道斷面為梯形，底寬分別為15.0 m和25.0 m，渠道深度均為9.0 m，過(guò)水內(nèi)邊坡分別為1∶2和1∶0.5，填方段外邊坡1∶2；挖方段渠堤堤頂以上土質(zhì)邊坡為V∶H=1∶1.25、風(fēng)化巖石邊坡為V∶H=1∶0.75，每8～10 m設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬度為3.0 m；渠道堤頂寬度按運(yùn)行管理通車要求，兩側(cè)渠頂寬度均為7.0 m。不同斷面尺寸渠段之間通過(guò)過(guò)渡段平順連接。

輸水明渠沿線全填、半挖半填以及全挖3種渠道典型斷面分別見圖1～3。渠道縱坡為1/4 000，渠道進(jìn)口0+000.000樁號(hào)處的渠底高程為386.0 m。

圖1 全填方渠段渠道典型斷面示意圖

圖2 半挖半填方渠段渠道典型斷面示意圖

圖3 全挖方渠段渠道典型斷面示意圖

3 渠道非過(guò)水?dāng)嗝孢吰路雷o(hù)

3.1 全挖方渠段

渠堤堤頂以上土質(zhì)邊坡坡度為V∶H=1∶1.5，采用三維植被網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。

渠堤堤頂以上風(fēng)化巖石邊坡坡度為V∶H=1∶0.75，根據(jù)邊坡巖石條件及邊坡高度情況視實(shí)際需要采用隨機(jī)噴錨支護(hù)形式，噴素混凝土厚度8 cm，錨桿Φ20 mm@1.5 m，錨桿長(zhǎng)度為1.5 m。

渠堤堤頂外側(cè)沿渠線方向布設(shè)1道縱向排水溝，排水溝尺寸為1.0 m×0.6 m(寬×高)。兩側(cè)邊坡頂部各布設(shè)截水溝。

3.2 全填方及半挖半填方渠段

全填方及半挖半填方渠段基本是沿丘陵間的谷底布設(shè)，且在水庫(kù)蓄水之后(水庫(kù)正常蓄水位為392.0 m)大部分溝谷低處將成為水庫(kù)的一部分。因此，該段渠道左側(cè)填方渠堤(渠堤堤頂高程約為395.0 m)在水庫(kù)蓄水之后將會(huì)直接擋水，溝谷低處的右側(cè)填方渠堤也會(huì)因雨水聚集而直接擋水，對(duì)渠堤運(yùn)行安全不利。結(jié)合施工總布置，設(shè)計(jì)考慮將全填方及半挖半填方渠段兩側(cè)渠堤以外至少20～50 m范圍內(nèi)的溝谷作為永久棄渣場(chǎng)地，棄渣場(chǎng)頂高程與相鄰渠頂同高。

4 輸水明渠襯砌設(shè)計(jì)

渠道滲漏量計(jì)算假定如下：

(1)全挖方段渠段，渠水補(bǔ)給兩岸地下水；

(2)全填方渠段和半挖半填方渠段，左岸庫(kù)水和渠水補(bǔ)給右岸地下水；

(3)采用樁號(hào)HC 0+186.83處斷面滲流量計(jì)算成果代表全填方渠段和半挖半填方渠段；

(4)采用樁號(hào)HC 2+475.81處斷面滲流量計(jì)算成果代表全挖方渠段。

根據(jù)滲流穩(wěn)定計(jì)算成果，全填方渠段和半挖半填方渠段斷面通過(guò)渠道右堤的滲流量為2.84×10-5m3/(s·m)；全挖方渠段斷面通過(guò)渠道左堤和右堤的滲流量分別為7.56×10-6m3/(s·m)和8.08×10-6m3/(s·m)。全挖方渠段1 530 m，全填方渠段和半挖半填方渠段為1 620 m。

渠道全線滲漏流量約為0.07 m3/s，與輸水明渠的設(shè)計(jì)引用流量450 m3/s相比可以忽略不計(jì)，故渠道采用透水襯砌，襯砌主要作用為減少渠道糙率，降低發(fā)電水頭損失，無(wú)防滲和結(jié)構(gòu)限裂要求。根據(jù)本工程情況，采用分縫間不設(shè)止水并設(shè)置系統(tǒng)排水孔的透水襯砌設(shè)計(jì)，既能避免渠水大量外滲影響發(fā)電效益，又能保證渠道在水位驟降情況下，襯砌下的地下水能及時(shí)排水，避免襯砌隆起破壞。

土方渠道過(guò)水全斷面采用現(xiàn)澆素混凝土板襯砌。渠道底板及邊坡的襯砌厚度均為15 cm，混凝土板襯砌下部依次鋪設(shè)土工布、20 cm厚的碎石墊層和反濾土工布；碎石墊層用于收集渠道滲水，反濾土工布用于保護(hù)碎石墊層下的堤身、堤基土。渠坡及渠底襯砌混凝土板上預(yù)留直徑100 mm、間距2.0 m的UPVC排水孔，排水管深入碎石墊層10 cm，管口采用反濾土工布包裹。渠道襯砌混凝土縱向每20 m設(shè)置1道永久縫，縫寬20 mm，縫內(nèi)填充閉孔泡沫板。邊坡設(shè)置3道順?biāo)飨蛘T導(dǎo)縫，采用切縫機(jī)切縫，縫深7.5 cm。土方渠段襯砌設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 土方渠段襯砌設(shè)計(jì)

石方渠道過(guò)水全斷面同樣采用現(xiàn)澆素混凝土板襯砌。渠道底板混凝土襯砌混凝土板下部鋪設(shè)10 cm厚水泥砂漿找平層，渠底及邊坡的實(shí)際襯砌厚度15 cm；渠坡及渠底襯砌混凝土板及巖石內(nèi)布設(shè)直徑100 mm、間距2.0 m的排水孔，排水孔入巖深度為0.5 m，孔內(nèi)安裝UPVC花管，反濾土工布包裹。渠道襯砌混凝土縱向每20 m設(shè)置1道永久縫，縫寬20 mm，縫內(nèi)填充閉孔泡沫板。邊坡設(shè)置3道順?biāo)飨蛘T導(dǎo)縫，采用切縫機(jī)切縫，縫深7.5 cm。石方渠段襯砌設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 石方渠段襯砌設(shè)計(jì)示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

上述優(yōu)化方案的最終成功實(shí)施，為渠道襯砌施工采用渠道襯砌機(jī)提供了可能，大大降低了施工難度、節(jié)約了工程投資，也加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了工期，該方案的優(yōu)越性在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中已經(jīng)得到了充分體現(xiàn)。

TV672

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1007-6980(2017)03-0041-03

李 淼 女 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

包第嘯 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

郭 強(qiáng) 男 高級(jí)工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

薛立宇 男 助理工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-05)