HDPE波紋管在水電站渠道改造中的應用

羅應培，金 誠

(1．云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 650228；2.華能瀾滄江水電有限公司，云南 昆明 650214)

1 概 述

豐甸河二級水電站位于云南省蘭坪縣兔峨鄉(xiāng)境內，為無調節(jié)引水式小型水電站。發(fā)電引用流量1.9 m3/s，毛水頭928.6 m，裝機容量12.6 MW，年平均發(fā)電量5 487萬kW·h，年利用小時數(shù)4 355 h。該電站于2007年3月建成投產(chǎn)發(fā)電，主要水工建筑物有攔河壩、取水口、簡易沉沙池、引水渠道、壓力前池、壓力鋼管和主副廠房、升壓站等。引水渠道布置于豐甸河右岸半山腰，由原灌溉水渠改造而成，渠道全長4 422 m，沿程底坡坡比和斷面變化較多，主要采用M7.5漿砌石砌筑，過水面砂漿抹面。

2016年8月，渠道K3+280～K3+340長60 m段外邊坡出現(xiàn)裂縫，最大裂縫寬度達20 cm，經(jīng)停機停水檢查，渠道結構大面積出現(xiàn)裂縫，須采取修復或改造措施后保證渠道的正常運行。

該段渠道斷面為1.2 m×1.3 m(凈寬×凈高)，位于沖溝古堆積體上，厚度大于8 m，溝內常年有地下水出露，上邊坡有明顯出水點一處，下邊坡有明顯出水點兩處，出水量匯集后約1 L/s。渠道上邊坡坡度約1∶0.8；下邊坡分二級臺地，綜合坡比約1∶1.3～1.4，臺地至渠道斜坡長約80～120 m。

渠道結構損壞的主要原因為：由于該期間電站區(qū)域連續(xù)降雨，地下水位抬高，且水量明顯加大，同時渠底不均勻沉降，導致渠道漿砌石結構多處開裂，并出現(xiàn)較大漏滲水；長時間大量水流外滲使得渠道下邊坡土壤水分充分飽和，局部細顆粒被大量帶走，出現(xiàn)管涌及架空現(xiàn)象，破壞了邊坡穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，渠道外側路面也出現(xiàn)裂縫。

2 渠道改造初步方案比較

綜合現(xiàn)場地形、地質條件及原渠道布置形式，充分考慮地基不均勻沉降變形，為滿足運行安全、投資、工期的要求，推薦兩方案比選。

方案一：鋼筋混凝土箱涵改造方案。該段基礎采取0.4 m厚M7.5漿砌石做墊層，平面約40 m需向山體內側重新開挖布置。斷面采用0.4 m厚鋼筋混凝土箱涵結構，每隔6 m設銅止水。

方案二：HDPE埋管方案。即采用HDPE鋼帶增強螺旋波紋管，以高密度聚乙烯(PE)為基體，表面涂敷粘接樹脂的鋼帶成型為波形作為主要支撐結構，并與聚乙烯材料纏繞復合成整體的雙壁螺旋波紋管，使用年限長達30～50 a，廣泛使用于市政供水、管網(wǎng)改造等工程領域。

原渠道過水面積為1.23 m2，為保持該段過流水力條件和原渠道兩端的良好銜接，避免該段過流時出現(xiàn)回流漫過上游渠道邊墻，產(chǎn)生不必要的破壞，因此選擇管外徑1.2 m，內徑1.17 m，壁厚9.5 mm。同時，考慮地基沉降影響和波紋管允許變形的要求，需對該段渠道基礎進行改造。原渠底適當擴挖適應基礎要求，設置可靠的基礎墊層，從下到上分別采用0.4 m厚M7.5漿砌石、0.2 m厚鋼筋混凝土、細沙墊層，回填覆蓋至管頂0.1 m全管包裹保護。管段中間接縫采用熱塑成型方式，兩端接老渠道部位采用混凝土封堵，預留管道外徑孔，管道敷設時做相應伸縮接縫處理(見表1)。

表1 渠道改造初步方案比較

推薦使用HDPE鋼帶增強螺旋波紋管埋管方案，工程直接費約21萬元，工期約41 d。

3 HDPE波紋管有壓過水與無壓過水方案選擇

初步方案經(jīng)充分討論，同意推薦HDPE波紋管方案，但埋管方案存在基礎開挖較深、棄渣堆放困難等因素，要求進一步研究HDPE無壓管流方案，同時充分考慮該段渠道防滾石、泥沙沉積和磨損的防護措施。

無壓流態(tài)下的管徑計算如下：

采用無壓流態(tài)時，按明渠恒定均勻流計算。根據(jù)《水工設計手冊》(第二版)第一卷，糙率可取n=0.009～0.011；由于糙率受施工工藝影響較大，為安全計，本工程取值不宜小于0.011。設計流量按最大引用流量計算。根據(jù)渠道原施工藍圖，該段渠道原底坡坡比為2.59‰，渠底高程差為0.233 m。

查無壓圓管在不同充滿度時的過水斷面水力要素表，本項目取最大充滿度為0.75。通過試算，可計算出管徑選擇為1.2 m(內徑1.17 m)時能滿足過水要求，可與渠道前后的正常水深銜接。

4 工程實施方案

在工程實施過程中，經(jīng)過對改造段進口和出口高程差的測量，發(fā)現(xiàn)實際渠底高程差與設計藍圖不一致；實際高程差較低，即按明渠均勻流計算的底坡變緩，管徑1.2 m不能滿足明流過水能力要求，但1.2 m管徑的HDPE波紋管已經(jīng)生產(chǎn)并運到現(xiàn)場，只能復核滿流情況下的有壓過水方案。

4.1 管徑1.2 m有壓流過水能力復核

首先根據(jù)電站確定的引用流量和改造段長，通過假定HDPE管管徑，計算出水流流經(jīng)此段HDPE管的水頭損失。再根據(jù)實測斷面，計算出此HDPE管改造段進口和出口連接渠道的底板高程差。若HDPE管內的水頭損失小于進口和出口連接渠道的底板高程差，則所選管徑滿足過水要求。

水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計。沿程水頭損失按恒流均勻流計算，計算公式采用達西公式、謝才公式、曼寧公式計算。

當復核HDPE管管徑1.2 m糙率取0.012時，其水頭損失略小于渠底高程差，即1.2 m管徑能滿足過水要求。當復核HDPE管管徑1.2 m糙率取0.013時，其水頭損失大于渠底高程差0.04 m，即選擇1.2 m管徑時將在進口比渠道正常水深涌高0.04 m，在渠道安全超高0.3～0.4 m內?？梢姡琀DPE管選擇管徑為1.2 m后，需按有壓流方案設計才能滿足過水能力要求。

4.2 有壓流過水方案設計和實施

有壓流波紋管改造項目由三部分組成，分別為進口段、管身段和出口段。

波紋管進口端設置連接池兼集沙坑，防止泥沙、碎石等進入波紋管難以清理。集沙坑2.3 m×1.5 m(長×寬)，坑底比波紋管底部低0.4 m，采用0.3 m厚C20鋼筋混凝土澆筑，集沙坑基礎采用0.25 m厚M7.5漿砌石作墊層。后期運行證明，此集沙坑效果明顯。

波紋管前端頂高程低于渠道正常水深0.3 m，即淹沒深度0.3 m，前端0.6 m范圍采用C20鋼筋混凝土封閉和固定(頂部與前段渠頂同高)，同時起到鎮(zhèn)墩的作用。波紋管基礎采用三層結構，最下層為0.3 m厚M7.5漿砌石作墊層，中間層為0.15 m厚C20鋼筋混凝土，上層為0.1 m厚粉細砂，以保護波紋管不被尖銳石頭或尖銳物品扎傷。波紋管兩側及頂部也采用0.1 m厚粉細砂保護。波紋管分段接頭處的基礎預留安裝坑，長1.8 m、寬0.8 m、深0.6 m。粉細砂包裹后的以上部位采用開挖料回填(同時防止陽光直曬造成波紋管的老化)，并回填為斜坡狀并加設鋼筋混凝土蓋板；當發(fā)生滾石時能順勢沖向下游，不致對波紋管造成威脅。對上邊坡出露的地下水，設置簡易水池匯集后采用PVC管接引至前端集沙坑。

波紋管出口端設置過渡池，波紋管末端0.6 m范圍也采用C20鋼筋混凝土封閉和固定(頂部與前段渠頂同高)，同時起到鎮(zhèn)墩的作用。過渡池底坡和兩側邊墻考慮水流平順，采用1∶1.5的坡面與后段渠道平順連接。

波紋管選用HDPE鋼帶增強螺旋波紋管，考慮管徑(1.2 m)較大，為適應基礎變形，波紋管增加了壁厚。外壁采用鋼帶增強一體成型，每5 m一段，每段重約250 kg。波紋管運至現(xiàn)場后，由人力前后捆綁入槽對位。波紋管焊接采用兩道工序，波紋管對位以后用熔焊機將PE焊條熔化將對位焊縫初步封閉(內縫和外縫均做)，然后將直徑較大的PE密封圈(寬約30cm)套入焊縫中部，以噴槍加熱密封圈后使之與管體膠結融為一體。波紋管焊接速度較快，每道縫焊接時間約30～40 min。安裝完畢后，經(jīng)沖水試驗和后期運行證明，焊接質量可靠。

5 結 語

波紋管在矩形渠道改造中與常規(guī)鋼筋混凝土結構(或漿砌石結構)恢復原斷面相比，其明顯優(yōu)勢主要有：一是施工速度快。為工程運行贏得更多寶貴時間，特別適合于搶險項目。二是改造投資省。通過本工程投資情況看，投資節(jié)省約1/3。三是地基適應能力強。波紋管主要為聚乙烯(PE)制成，有一定適應變形的能力，能更好地適應軟基基礎工程。本工程地基基礎為軟基，為古崩塌堆積體且受地下水淘蝕存在架空現(xiàn)象，原渠道的剛性漿砌石結構正是由于此軟基變形而破壞，經(jīng)過波紋管改造后的實踐證明，波紋管在軟基上具備一定適應能力。

經(jīng)過1年多的運行，波紋管無漏水情況，管徑選擇也能保證電站的正常引水過流能力。實踐證明，圓形波紋管在水利和水電工程矩形渠道改造中是成功的，可為類似工程提供參考和借鑒。