ZG水電站尾水建筑物設(shè)計與研究

陳銘

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程簡介

ZG 水電站為引水式電站，上游為ATS 水利樞紐，下游為QMS 水電站，根據(jù)流域控制性工程總體布局，工程開發(fā)任務是在保證減少河段灌溉和生態(tài)用水的基礎(chǔ)上進行水力發(fā)電，并承擔ATS 水利樞紐工程發(fā)電反調(diào)節(jié)任務。工程主要由攔河引水樞紐、輸水建筑物、前池、壓力管道及電站廠房等主要建筑物組成。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，電站裝機容量為180 MW，額定水頭為54.000 m，發(fā)電流量為367.20 m3/s。

2 尾水建筑物地質(zhì)條件

尾水渠位于洪積平原及現(xiàn)代河床內(nèi)，出露地層巖性為全新統(tǒng)洪積含土礫石、粉土、全新統(tǒng)沖積砂卵礫石層、中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石層；枯水期，洪積平原段地下水埋深為3.000～31.000 m，現(xiàn)代河床地下水位埋深為0.500～1.000 m。尾水渠挖深7.000～59.000 m，渠基處于中更新統(tǒng)沖積Q2al砂卵礫石層和全新統(tǒng)沖積Q4al砂卵礫石層內(nèi)。砂礫石層屬強透水層，施工時須加強基坑排水。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，須進行防腐處理。

3 尾水建筑物設(shè)計

水電站尾水建筑物主要作用就是將經(jīng)過水輪機吸收利用后的尾水平順地排泄至下游河床，在布置上應盡可能做到使水流平順、流態(tài)平穩(wěn)、水力損失小，同時力求工程造價低[1]。

3.1 渠線設(shè)計

工程位于梯級水電開發(fā)中間位置，為充分利用發(fā)電水頭，尾水投入下游工程庫區(qū)可保證水位順接[2]。該工程選定了兩個廠址：廠址一尾水渠長度布設(shè)最短，但穿越村莊房屋較多；為減小移民占地投資，廠址二在廠址一的基礎(chǔ)上將廠房位置往上游移動約1.4 km。通過綜合經(jīng)濟比選，推薦廠址二，廠房布置于攔河引水樞紐下游約8.8 km 的河道右岸洪積平原上。在盡可能少占房屋和耕地的前提下，尾水渠前段避開養(yǎng)殖場和石膏廠，尾水渠橫跨鄉(xiāng)村道路后沿一現(xiàn)狀沖溝布置，在避開河床邊一磚廠后拐彎布置于河道右岸，最終投入下游工程庫尾，右側(cè)渠堤與其副壩連接，尾水渠總長度約為2.6 km[3]。

3.2 尾水渠斷面、縱坡設(shè)計

根據(jù)推薦的渠線布置方案，尾水渠后段（現(xiàn)代河床段）縱坡為0.2%～0.3%，但考慮到工程的額定水頭，若尾水渠也采用原地面縱坡，水頭損失為5.200～7.800 m，占總水頭的9.6%～14.4%，電量損失較大，為保證發(fā)電效益，尾水渠縱坡宜較緩設(shè)置；考慮到尾水渠設(shè)計流量的規(guī)模較大，尾水渠采用底寬為20.000 m、邊坡為1∶2 的梯形斷面，縱坡取1/4 000，采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，此時，在全部機組發(fā)電的引用流量下，尾水渠流速為2.45 m/s，水深為5.000 m[4]。

3.3 尾水建筑物布置

尾水建筑物包括尾水閘墩、尾水反坡及尾水渠。尾水閘墩平面尺寸為70.240 m×9.000 m（長×寬），尾水平臺高程為1 559.000 m，尾水孔口尺寸為4.765 m×4.171 m（寬×高），共8 孔，尾水閘墩后接尾水反坡。為減少開挖及混凝土結(jié)構(gòu)工程量，尾水反坡段采用變底寬和降低尾水反坡邊墻頂高程的措施，底板寬度由62.330 m 漸變至47.000 m，尾水反坡邊墻頂高程為1 553.090 m。尾水反坡底坡坡比為1∶4、長39.920 m，反坡段為矩形斷面，底板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，厚度為0.400 m，邊墻結(jié)構(gòu)采用扶壁式擋墻，擋墻高度為16.547～7.500 m?？紤]地下水位較高，尾水反坡?lián)鯄暗装寰O(shè)置排水孔，排水孔直徑為100 mm，擋墻在1 551.650 m高程設(shè)置1 排排水孔，排水孔間距為2.000 m，底板排水孔間、排距均為2.000 m，排水孔深入基礎(chǔ)部位的部分采用無紡布包裹，尾水反坡后接尾水渠。尾水渠長2 671.600 m，依次由扭面段、梯形尾水明渠、擴散段組成。扭面段長50.000 m，由矩形斷面漸變?yōu)樘菪螖嗝?，底板寬度?7.000 m 漸變至20.000 m，縱坡為1/4 000，扭面段后接梯形尾水明渠；梯形尾水明渠段長2 550.000 m，采用底寬為20.000 m、邊坡為1∶2 的梯形斷面，渠道襯砌高度為7.500 m，渠道縱坡為1/4 000，采用現(xiàn)澆素混凝土板襯砌，邊板、底板厚度均為150 mm，梯形尾水明渠后接擴散段；擴散段長71.600 m，底板寬度由20.000 m 漸變至75.300 m；擴散段末端右側(cè)渠堤繼續(xù)往前延伸與QMS 水電站副壩連接，考慮尾水渠地下水位較高，尾水渠邊坡及底板均設(shè)置排水孔，排水孔孔徑、間距、排距布置同前。

4 尾水水力學計算

常規(guī)情況下，尾水渠出口水位為斷面天然河道水位，因該工程尾水渠末端投入下游梯級QMS水電站的庫區(qū)，故需要考慮QMS 庫水位回水的影響，最終取兩者的較大值作為尾水渠出口水位，本文按明渠恒定漸變流水面線的推算方法求得尾水渠始端水位（廠房尾水位）[5]。根據(jù)下游QMS 工程運行方式，當攔河引水樞紐來水流量大于發(fā)電引水流量和泄洪沖沙閘泄流能力時，閘前水位逐漸從正常蓄水位上升至最高水位（主要集中在每年7—8 月），其余時間保持正常蓄水位（1 550.000 m）運行。尾水渠投入點水位～流量關(guān)系見表1。由表1可知，受下游工程回水影響，尾水渠投入點水位均高于天然河道水位。

表1 尾水渠投入點水位流量關(guān)系表

正常尾水位按4 臺機組發(fā)電，引用流量為367.20 m3/s，回水至尾水渠末端水位為1 550.150 m，反推廠房位置相應尾水位為1 551.180 m；設(shè)計尾水位按1 臺機組發(fā)電，引用流量為91.80 m3/s，回水至尾水渠末端水位為1 550.150 m，反推廠房位置相應尾水位為1 550.440 m。

廠房設(shè)計洪水位按經(jīng)上游ATS 水利樞紐工程調(diào)蓄后，P=1.0%（重現(xiàn)期為100 年一遇）頻率時的最大下泄流量為5 265.00 m3/s，回水至尾水渠末端水位為1 551.840 m，反推廠房位置相應尾水位為1 552.160 m；校核洪水按經(jīng)上游ATS 水利樞紐工程調(diào)蓄后，P=0.5%（重現(xiàn)期為200 年一遇）頻率時的最大下泄流量為5 656.00 m3/s，回水至尾水渠末端水位為1 552.000 m，反推廠房位置相應尾水位為1 552.290 m。

5 工程實施中遇到的問題及處理措施

5.1 地下水問題

根據(jù)地質(zhì)資料，尾水渠現(xiàn)代河床段地下水位埋深較淺，同時，下游梯級QMS 水電站已建成蓄水，尾水渠在施工過程中受地下水影響尤為突出。針對此問題，施工單位分別在樁號1+180.000，1+520.000，2+000.000，2+640.000 m 底板處共布置了4 個泵坑，安裝8 臺1 260 m3/h 的離心水泵進行抽排，此方法可有效降低地下水位，并使之維持在尾水渠底板以上15～20 cm。施工單位采取相關(guān)措施對底板襯砌混凝土進行澆筑，但由于外水壓力過大，出現(xiàn)了細顆粒從底板排水管內(nèi)被帶出的現(xiàn)象，同時，由于底板內(nèi)積水，底板勾縫處理無法得到有效實施。針對上述問題的處理措施：1）對出現(xiàn)細顆粒被帶出的排水管，在排水管內(nèi)塞填用無紡布包裹的5～20 mm 粒徑的小石，在能滿足施工條件的情況下，進行底板勾縫處理；2）對抽排水產(chǎn)生的泵坑底部采用均勻塊石拋填，表層接近底板設(shè)計高程50 cm處采用鋼筋石籠內(nèi)套格賓石籠的方式吊裝下放，石籠內(nèi)裝填20～30 cm大小的砂礫石。

5.2 左側(cè)渠堤沖毀問題

根據(jù)原設(shè)計方案，尾水渠左側(cè)布置有7-1 號渣場，渣場左側(cè)布置有C3 料場，7-1 號渣場末端位于尾水渠樁號2+442.250 m 附近，渣場設(shè)計頂高程為1 561.000 m，最窄處寬69.000 m，可滿足尾水渠左側(cè)防洪要求，為節(jié)省工程投資，不再專門設(shè)置左側(cè)防洪堤。但在現(xiàn)場實施過程中，7-1 號渣場只設(shè)置到尾水渠樁號1+800.000 m 附近，同時，因為C3 料場取料后并未回填料坑，在渣場左側(cè)砂礫石取料坑內(nèi)積水水面高程約為1 554.182 m，且多次翻頂并沖毀了部分尾水渠左側(cè)渠堤，對尾水渠運行造成了安全隱患。

為保證工程運行安全，在尾水渠開口線左側(cè)增加1 道防洪堤和1 道截水溝，防洪堤起點順接7-1 號實際棄渣場邊線，為保證不超出征地范圍，防洪堤末點設(shè)置至尾水渠樁號2+442.250 m，平面軸線根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定。截水溝中心線距離尾水渠左側(cè)開口邊線50.000 m，截水溝起點底高程為1 550.500 m，縱坡為1/2 000，截水溝深度為3.000 m，底寬為3.000 m，開挖邊坡為1∶2.5；防洪堤布置于截水溝與尾水渠之間，與截水溝凈距為15.000 m，防洪堤高3.000 m，堤頂寬3.000 m，兩側(cè)邊坡為1∶2，防洪堤及截水溝橫剖面見圖1[6]。

圖1 防洪堤及截水溝橫剖面圖（單位：cm）

6 結(jié)語

目前，ZG 水電站4 臺機組已全部并網(wǎng)發(fā)電，尾水渠運行良好。對位于梯級水電開發(fā)中間位置的水電站工程，為了保證有效水頭，可采用縱坡較緩的長尾水渠以增加發(fā)電效益；在工程條件許可的條件下，可從方案設(shè)計和建設(shè)施工等方面采取措施以減小地下水位對建筑物的影響，同時，盡可能在尾水渠臨水側(cè)設(shè)置專用永久防洪堤以提高工程的安全性。