摘要：文章通過實踐證明，調整渠道襯砌板的薄厚來抵抗防凍脹破壞是十分困難的。土、溫度和水分補給條件是形成凍脹差異的基本因素，應從分析凍脹量、結構適應性方面采取措施去消減或消除凍脹力，較為經濟合理。

關鍵詞：凍脹力；動力渠；坍塌淤積；冰凌壅漲堵塞

中圖分類號：TV672 文獻標識碼：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，電站裝機容量6500kW，于1993年破土動工，1995年正式投入運行，根據該縣的實際發(fā)展狀況和電力需求的不斷增加，缺電現象日益嚴重。為此，于2001年開始對該水電站進行增容擴建，新增擴機容量4000MW，2002年正式投入運行。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坡或砂礫石土渠，有多處填方段渠堤發(fā)生水毀現象，滲漏、坍塌淤積嚴重。

由于水電站的擴建，原引水渠設計引水流量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重影響到擴建后水電站正常運行，為盡量減少在施工期停水造成的發(fā)電經濟損失，需盡量縮短施工工期。同時工程區(qū)地處嚴寒地區(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建設計提出了新的技術難題。

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、坍塌淤積嚴重，引水量不足，電站得不到正常合理運行。同時根據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，大河冰凌全部進入12km長的引水渠，引水樞紐和引水渠內有大量冰凌通過，水面無法凍結形成完整冰蓋，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坡或砂礫石土質渠道，滲漏嚴重，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用進行修復工作。同時大量泥砂被帶入水庫造成庫內淤積，直接造成水電站不能正常運行，設備利用率降低。

3 改建引水渠道采取的措施

在設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。有針對性地進行方案設計比較工作，確定了設計原則及處理措施。

（1）電站多年運行經驗表明，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。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，水面形成的冰塞向上游推進，迫使引渠水流受阻，來冰下潛，很快造成渠內冰凌和冰層淤增，最終引水渠凍結。所以針對防冰行之有效的措施是盡可能減少回流現象，增加水流速度，提高引渠輸冰能力，排除冰棱及冰水淤增。

（2）應盡可能引導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斷面，水深較淺。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行改建正向引水，沿渠線底部設置縱向排水，改變襯砌結構。

通過對設計原則的確定，結合托洪臺水電站工程實際調查，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，護坦段產生回流沖刷破壞。因此，必須改建。消力池的設計布置是由引水樞紐后調整漸變段，對原消力進行改擴建，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250m轉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擴建至5.0m，采用塑膜防滲。

采用梯弧型斷面的設計處理的主要特點是：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1.47m/s，不會造成泥沙淤積。

渠系交叉建筑物的處理設計是：原橫跨引水渠的漿砌石拱形牧道橋，過水斷面為矩形，處于壅水狀態(tài)，汛期和冬季輸水、輸冰均在極限狀態(tài)強行運行，效果極差。改建方案是在橋前設置兩個大小不同的梯弧形漸變段，橋后設置跌水，過水斷面改成弧形，牧道橋基礎和原橋結構保持不變，即降低了施工難度、節(jié)省工程量，又解決了水流

流態(tài)。

4 工程改擴建前后運行對比

托洪臺水電站改擴建后已運行十多年，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。十多年內均無發(fā)生引水渠破壞造成機組停機停電，設備利用率降低等問題；原牧道橋處壅水現象、冬季冰塞問題完全得到改善，通過運行驗證，12km引水渠上設的座牧道橋，只有少量岸冰堆積，未發(fā)現泄水不暢和冰棱阻塞現象。

（1）總結引水渠設計，通過實踐證明，渠線選擇應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），增大轉彎半徑（≥10倍水面寬），其三是冰面至渠頂的超高比常規(guī)計算超高高出0.4m以上，其四是采用塑膜防滲，設置縱向排水，通過一年多運行兩岸沼澤區(qū)面積明顯減少。

（3）通過實踐證明，由調整渠道襯砌板的薄、厚來抵抗防凍脹破壞是十分困難的。基土的凍脹力是一種體積力，而從適應、消減或消除凍脹等方面采取措施，較為經濟合理。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采用不同的抗凍脹措施，才能滿足結構抗凍脹穩(wěn)定性需求。同時還必須根據沿渠的土質、水分補給條件和溫度的變化情況分段進行。

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計研究院高級工程師，研究方向：水工建筑物設計。