苑 征

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

1 新疆伊犁某水電站工程簡介

新疆伊犁某水電站是DJEGL河水電規(guī)劃“兩庫四級”梯級開發(fā)方案的第三級電站，采用引水式開發(fā)方案，引水渠首位于河口以上約32 km，發(fā)電廠區(qū)布置于河口以上約20 km的河道臨河左岸。

工程任務(wù)是在滿足灌溉、人畜飲水及河道生態(tài)用水的前提下發(fā)電。裝機容量72 MW，平均有效年發(fā)電量為2.7104億 KW·h。

某水電站為引水式電站，工程由引水渠首、引水渠、前池、壓力管道、泄水陡坡、廠房、尾水渠、防洪堤、進廠道路等組成。

工程概算投資55 408萬元，工程于2015年3月開工建設(shè)，2017年10月完成并投入運行。

2 工程區(qū)氣象特征

工程位于新疆北部河谷地帶，多年平均氣溫9.0℃，最暖月份為7月，平均氣溫為22.0℃，最冷月份為1月，平均為-6.8℃，屬寒冷地區(qū)，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-32℃。多年平均降水量329.2 mm，多年平均蒸發(fā)量1 961.7 mm.最大積雪深度61 cm，歷年最大凍土深度為69 cm。

3 引水渠線選擇及縱橫斷面設(shè)計技術(shù)特點

3.1 引水渠道概況

電站引水渠道長度10.884 km，全線采用明渠引水，設(shè)計引水流量69 m3/s。結(jié)合地形、水文條件和交通和灌溉要求，沿線共布置1座排洪涵洞，16座納洪口，4座交通橋，2座灌區(qū)分水閘，1座事故退水閘(渠)。

3.2 渠線選擇技術(shù)特點

本電站引水渠道渠線的選擇以地形地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，以工程安全和改善運行條件、節(jié)省投資為關(guān)注重點選擇渠線。

工程區(qū)位于寒冷地區(qū)，冬季積雪厚度較大，冬季運行條件關(guān)乎該電站設(shè)計的成敗。經(jīng)分析工程區(qū)的地形、氣象條件，河道左右岸氣象條件存在明顯差異，河道左岸為陰坡，植被發(fā)育良好，冬季積雪厚度大，氣溫明顯低于河道右岸；河道右岸為陽坡，坡面植被稀疏，冬季積雪很少，氣溫明顯高于左岸。另外河道右岸渠線所在坡面地形較為規(guī)整，便于引水渠道布置，綜合考慮地形氣象條件，渠線選擇在河道右岸。

渠線具體位置的選擇首先以渠道安全為考慮的重點，尤其是傍山段渠道制定了渠道結(jié)構(gòu)斷面位于原狀土地層為原則進行精細的渠道選線原則，做到了工程安全性和經(jīng)濟性的最優(yōu)結(jié)合。

電站引水渠布置于河道右岸，起點接引水渠首分水閘，末端接壓力前池。0+000—1+030段渠道沿線零星分布有居民點，渠道線路按照盡量避開居民點、減少拆遷的原則，渠線沿居民點和現(xiàn)狀耕地北側(cè)邊緣布置；渠線1+030—2+500段需穿越河道Ⅱ級階地頂面耕地，渠線選擇按照減少工程永久占地采用暗渠高線方案和減少工程投資的采用明渠低線方案進行了綜合比選，最終選用底線明渠方案， 2+500—10+884段(末端)渠線Ⅲ級階地逐漸上升至Ⅳ級階地頂面，渠線傍山布置，渠線的具體位置結(jié)合地形條件和傍山渠道的特征，為提高渠道工程的安全性，渠線選擇以力求渠道斷面為挖方斷面，渠基位于原狀土上為基本原則，按照盡量減少土石方開挖量確定渠道的基本線路。

3.3 渠道縱橫斷面設(shè)計技術(shù)特點

渠道縱斷面設(shè)計的重點是確定合適的渠道縱坡。引水渠道縱坡在考慮冬季輸冰運行的條件下盡量減少水頭損失并兼顧經(jīng)濟能量指標，即不能過分損失發(fā)電水頭，也要考慮經(jīng)濟合理和冬季運行對渠道流速要求。本工程在渠道縱斷面設(shè)計過程中以當?shù)貧庀筇卣骱秃恿魉乃闉榛A(chǔ)，綜合分析和考察了本地區(qū)臨近引水式電站的冬季運行情況，確定了渠道冬季輸冰的基本思路，設(shè)計工作中對渠道縱坡的比選擬定了1/2 000、1/2 500、1/3 000、1/3 500和1/4 000四種縱坡方案進行了比選，認為1/2 500的渠道縱坡在較為充分利用發(fā)電水頭的前期下，能保證渠道冬季輸冰運行，電站的經(jīng)濟能量指標較優(yōu)，最終確定了梯形斷面渠段1/2 500的渠道設(shè)計縱坡。

3.4 濕陷性黃土渠基處理技術(shù)特點

3.4.1 引水渠道工程地質(zhì)條件

引水渠線穿越地層復(fù)雜，不同巖性地層工程地質(zhì)條件不同，渠道0+000～0+450段渠線沿河道右岸Ⅱ級階地布置，渠道渠基及渠坡地層主要為石炭系未分大哈拉軍山組(C1d)凝灰質(zhì)角礫巖、凝灰質(zhì)砂巖，工程地質(zhì)條件良好；渠道0+450～1+100段渠線沿河道右岸Ⅱ級階地前緣布置，渠基地層巖性以第四系沖積卵礫石層為主，工程地質(zhì)條件較好；渠道1+100～2+700渠線布置于Ⅲ級階地頂面，渠基及邊坡均位于上更新統(tǒng)(Q3al+pl)沖洪積低液限粉土層內(nèi)， 0～7 m濕陷性系數(shù)δs=0.016～0.059，屬于中等濕陷性黃土，7 m以下，濕陷性系數(shù)δs=0.010～0.012，屬于非濕陷性黃土。渠道2+700～4+300段渠線位于階地斜坡下部及坡角，渠道與邊坡多位于全新統(tǒng)(Q4dl)坡積含礫粉土層內(nèi)，厚度5～7 m，土體結(jié)構(gòu)較為松散，含卵礫石，濕陷系數(shù)δs=0.087～0.102，屬強烈自重濕陷性黃土；渠道4+300～7+500段渠線位于Ⅳ級階地前緣斜坡中部，渠道及邊坡地層以上更新統(tǒng)(Q3al)沖積卵礫石層為主，其厚度巨大，工程地質(zhì)條件良好。7+500～10+884段渠線位于Ⅳ級階地前緣斜坡中上部至階地頂面，渠道基礎(chǔ)與邊坡均位于上更新統(tǒng)(Q3eol)風(fēng)積黃土層內(nèi)，厚度巨大，渠基以下黃土濕陷性自東向西隨黃土厚度的增加，濕陷性由非自重濕陷逐漸變化為自重濕陷，濕陷性也有輕微逐漸變化為嚴重。渠基以下約6～8 m深度黃土濕陷系數(shù)多大于0.003，屬中等-強烈濕陷性土，渠基以下8～15 m以下多屬弱濕陷性土，渠基15 m以下為非濕陷性黃土。

3.4.2 渠基處理技術(shù)特點

原則：遵循防治結(jié)合的原則，即采用強夯措施對原基濕陷性黃土進行治理，通過加強渠道防滲結(jié)構(gòu)和渠基排水設(shè)施預(yù)防渠道滲漏引起渠基濕陷變形。

方法：通過典型渠段生產(chǎn)性試驗取得經(jīng)濟合理的強夯設(shè)計參數(shù)及便捷的施工方案和工藝。

主要參數(shù)：強夯面積約12萬 m2，主夯夯擊能6 000～8 000 KN·m。

效果：從施工單位、監(jiān)理、第三方檢測資料看，強夯影響深度6～9 m，影響范圍內(nèi)濕陷性完全消除，尤其是0～3 m范圍之內(nèi)密實度提高20%以上，滲透系數(shù)從原狀土的10-4數(shù)量級減小到10-6數(shù)量級，強夯措施在消除渠基黃土濕陷性的同時，大大提高了密實度和承載力，降低了渠基土的透水性。

渠道防滲設(shè)計：為進一步降低渠基濕陷變形分析，渠道結(jié)構(gòu)中加強了防滲設(shè)計，防滲結(jié)構(gòu)自上而下為10 cm現(xiàn)澆混凝土板+3 cm砂漿墊層+一布一膜(200 g/m2/0.5 mm)+ 一布一膜(200 g/m2/0.5 mm)，防滲結(jié)構(gòu)下設(shè)置50 cm砂礫石防凍墊層。

渠基排水設(shè)計：渠基底部設(shè)置20 cm直徑軟式排水管，每隔400～600 m設(shè)置一處1 m直徑的排水豎井，豎井采用鋼管，底部深入原砂礫石地層，井內(nèi)填充碎石排水體，并設(shè)置滲流滲壓以及變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

處理效果：本次設(shè)計制定的濕陷性黃土渠基處理方案，在保持防滲措施的前提下，采用強夯措施對渠基進行處理，防治結(jié)合，方案更具科學(xué)性，工程安全性得到進一步提高。本電站2015年4月開工建設(shè)，2018年8月完成，2018年9月29日通過自治區(qū)水利廳組織的通水驗收，2018年10月4日投入運行。電站至今運行已兩年多時間，初期運行工程總體安全正常，濕陷性黃土基礎(chǔ)渠段未發(fā)生渠基沉降導(dǎo)致的渠道變形等現(xiàn)象，監(jiān)測系統(tǒng)反應(yīng)的渠基沉降變形很小，說明設(shè)計方案合理，事關(guān)本工程安全的重點基礎(chǔ)處理取得了良好效果。

圖1 渠基強夯設(shè)計橫斷面圖 圖2 渠基強夯夯點布置圖

圖3 渠道防滲典型設(shè)計圖

圖4 渠基排水典型設(shè)計圖

4 某水電站引水渠道設(shè)計技術(shù)總結(jié)

4.1 寒冷地區(qū)引水式電站設(shè)計經(jīng)驗

電站防冰問題事關(guān)寒冷地區(qū)引水式電站設(shè)計的成敗，本工程從渠線選擇、渠道縱坡設(shè)計、橫斷面設(shè)計、前池布置等方面綜合施策，選擇適合的渠道縱坡和以窄深式梯形斷面為主的渠段橫斷面，意在提高冬季小流量時段的渠道流速，減輕渠內(nèi)次生結(jié)冰和渠道輸冰能力，前池布置方式創(chuàng)造了良好的排冰條件，較好的解決了電站冬季運行問題。

4.2 濕陷性黃土渠基處理經(jīng)驗

濕陷性黃土作為一種不良地質(zhì)條件的工程地基，其對工程安全性，尤其是水利工程安全性的危害已在國內(nèi)引起高度重視，近年來也發(fā)生了不少因濕陷性黃土地基變形造成的工程失事案例。目前濕陷性黃土處理較為成熟的措施多為建筑工程，水利工程中濕陷性黃土地基處理仍在探索之中。本工程設(shè)計工作開展過程中自始至終將濕陷性黃土渠基處理作為設(shè)計工作的重中之重，先后開展了大量調(diào)研、技術(shù)方案研究和技術(shù)咨詢，最終制定的防治結(jié)合，加強渠基排水的綜合處理措施取得了良好效果，前池、壓力管道、泄水陡坡等結(jié)構(gòu)自重較大，更容易發(fā)生變形的建筑物采用樁基，徹底消除了濕陷性黃土地基對工程安全的威脅。從初期運行看處理效果良好，可供同類工程相似地基條件下基礎(chǔ)處理借鑒。