新疆托洪台水电站引水渠输水输冰设计

摘要：文章通过实践证明，调整渠道衬砌板的薄厚来抵抗防冻胀破坏是十分困难的。土、温度和水分补给条件是形成冻胀差异的基本因素，应从分析冻胀量、结构适应性方面采取措施去消减或消除冻胀力，较为经济合理。

关键词：冻胀力；动力渠；坍塌淤积；冰凌壅涨堵塞

中图分类号：TV672 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0136-02

1 工程概况

托洪台水电站是位于新疆阿勒泰地区布尔津河西岸的引水式电站，电站装机容量6500kW，于1993年破土动工，1995年正式投入运行，根据该县的实际发展状况和电力需求的不断增加，缺电现象日益严重。为此，于2001年开始对该水电站进行增容扩建，新增扩机容量4000MW，2002年正式投入运行。该水电站由引水枢纽、引水渠、水库、动力渠、压力前池、压力钢管、厂房、尾水渠及附属建筑物组成。其中原引水渠断面较小，引水渠线总长12km，为无防渗的弃渣碎石堆砌护坡或砂砾石土渠，有多处填方段渠堤发生水毁现象，渗漏、坍塌淤积严重。

由于水电站的扩建，原引水渠设计引水流量50m3/s增加到80m3/s，所需断面变化较大，其引水枢纽及引水渠的输水能力已严重影响到扩建后水电站正常运行，为尽量减少在施工期停水造成的发电经济损失，需尽量缩短施工工期。同时工程区地处严寒地区，引水渠受冰冻及地下水危害影响十分突出，这就给引水渠的改建和扩建设计提出了新的技术难题。

2 改建引水渠道需研究的问题

托洪台水电站工程区造成引水渠道破坏的主要原因是：受冰冻及地下水危害，引起渗漏、坍塌淤积严重，引水量不足，电站得不到正常合理运行。同时根据布尔津河水文站提供的资料，布尔津河是泥砂含量较少、多冰凌河流，输冰期长达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，多年平均输砂量39.5万t。每年10月中旬至次年4月，是布尔津河的行凌期，年内水量分配极不均匀，冬季水量较小，大量的冰凌堆积在河道中或顺河漂流。而引水渠首无法排冰，大河冰凌全部进入12km长的引水渠，引水枢纽和引水渠内有大量冰凌通过，水面无法冻结形成完整冰盖，造成两岸挂冰、冰水夹层、大量冰凌壅涨堵塞渠道，产生渠堤冻胀破坏。

夏季由于原引水渠为无防渗的弃渣碎石堆砌护坡或砂砾石土质渠道，渗漏严重，造成两岸地下水位升高，部分地段地下水出露，形成沼泽，每年都有多处堤岸，由于地下水位较高和冬季气候寒冷冻胀，而造成夏季汛期渠堤失稳水毁，需投入大量的税修费用进行修复工作。同时大量泥砂被带入水库造成库内淤积，直接造成水电站不能正常运行，设备利用率降低。

3 改建引水渠道采取的措施

在设计改建引水渠道方案时，通过上述分析，其主要矛盾是输水、输冰、防冻、降低地下水问题。有针对性地进行方案设计比较工作，确定了设计原则及处理措施。

（1）电站多年运行经验表明，渠道来冰以三种形态分布，表层浮冰、岸冰及潜入水下的冰凌雪团。在渠系建筑物或弯道等水流变化处，均有可能形成冰塞或局部壅塞，如果输冰不畅，冰凌相互粘结，水面形成的冰塞向上游推进，迫使引渠水流受阻，来冰下潜，很快造成渠内冰凌和冰层淤增，最终引水渠冻结。所以针对防冰行之有效的措施是尽可能减少回流现象，增加水流速度，提高引渠输冰能力，排除冰棱及冰水淤增。

（2）应尽可能引导控制水流从引水渠向水库平稳过渡和均匀配水，要求汛期渠内的流态平稳，流速均匀；冬季小流量输水时，要保证输冰流速不低于1.2m/s，从而保证水面不冻结形成冰盖，起到消除冰水夹层和大量冰凌堵塞渠道，以利于引水渠两岸局部岸冰的集中处理和清除。

（3）由于原渠床为宽浅式的过水断面，水深较浅。而加大引水渠断面规模，在冬季天然来水量较小的特殊工况下，难以保证引渠所需输冰水头和流速。要解决此矛盾，最有效的措施是调整纵坡和改变断面型式，即变梯形断面为梯弧形断面，以增加所需流速和输冰水头。

（4）原引水渠是修建在较平坦的冲积平原，基本为全挖方断面和半挖半填断面，两岸无横向排水出路，控制和降低地下水位已十分困难。最为适宜的方案是利用原渠线进行改建正向引水，沿渠线底部设置纵向排水，改变衬砌结构。

通过对设计原则的确定，结合托洪台水电站工程实际调查，确定了最终方案：即原引水枢纽孔口较大，无需改建。但由于单宽流量的加大，造成引水枢纽后原消力池的消能不充分，消力池与引水渠之间采用弧线连接，护坦段产生回流冲刷破坏。因此，必须改建。消力池的设计布置是由引水枢纽后调整渐变段，对原消力进行改扩建，加大池深和渠底宽度，由原池深0.5m改为1.2m，由原渠宽5.0m改为8.0m，后经250m转弯段与引水渠平顺连接。

引水渠全长12.6km。引水坡度由原1/2700～1/2500纵坡调整到1/2000，由消力池末端渠0+000桩号～渠1+1600段采用砼衬砌，梯弧型断面。由渠1+1600桩号～渠5+600段采用浆砌石衬砌，梯弧型断面。由渠5+600桩号～渠12+600段采用干砌石衬砌，梯弧型断面。将原渠底宽3.0m扩建至5.0m，采用塑膜防渗。

采用梯弧型断面的设计处理的主要特点是：冬季水面宽度较小，引水渠底板做成弧形增加抗冻胀性和增加渠内水深，保证冬季引水输冰水位，以满足1.2m/s流速、分层排冰的运行要求。同时尽量消除流道因局部断面改变引起的阻冰因素。使部分下潜冰凌浮起，又不至于引起冰凌在各交叉建筑物处淤塞而平稳通过；夏季该断面平均流速达1.47m/s，不会造成泥沙淤积。

渠系交叉建筑物的处理设计是：原横跨引水渠的浆砌石拱形牧道桥，过水断面为矩形，处于壅水状态，汛期和冬季输水、输冰均在极限状态强行运行，效果极差。改建方案是在桥前设置两个大小不同的梯弧形渐变段，桥后设置跌水，过水断面改成弧形，牧道桥基础和原桥结构保持不变，即降低了施工难度、节省工程量，又解决了水流

流态。

4 工程改扩建前后运行对比

托洪台水电站改扩建后已运行十多年，改建前后对比十分显著。改建后引水渠输水、输冰顺畅，未发生冰凌阻塞和渗漏造成的渠道冻胀破坏，输水条件明显改观。十多年内均无发生引水渠破坏造成机组停机停电，设备利用率降低等问题；原牧道桥处壅水现象、冬季冰塞问题完全得到改善，通过运行验证，12km引水渠上设的座牧道桥，只有少量岸冰堆积，未发现泄水不畅和冰棱阻塞现象。

（1）总结引水渠设计，通过实践证明，渠线选择应尽量选择避开高地下水位区，避免渠道衬砌发生冻胀破坏的危害。因此在今后渠道选线时，冻胀、地下水位高低的确定等是一个不容忽略的问题。

（2）针对输水、输冰的成功之处，其一是增加水深满足排冰要求，其二是提高冬季渠道排冰流速（≥1.2m/s），增大转弯半径（≥10倍水面宽），其三是冰面至渠顶的超高比常规计算超高高出0.4m以上，其四是采用塑膜防渗，设置纵向排水，通过一年多运行两岸沼泽区面积明显减少。

（3）通过实践证明，由调整渠道衬砌板的薄、厚来抵抗防冻胀破坏是十分困难的。基土的冻胀力是一种体积力，而从适应、消减或消除冻胀等方面采取措施，较为经济合理。因此，衬砌渠道是一种线路性工程，土、水、温度是形成冻胀差异的基本因素，对不同冻胀量渠段应采用不同的抗冻胀措施，才能满足结构抗冻胀稳定性需求。同时还必须根据沿渠的土质、水分补给条件和温度的变化情况分段进行。

作者简介：王峰（1965—），男（回族），新疆乌鲁木齐人，水利部新疆水利水电勘测设计研究院高级工程师，研究方向：水工建筑物设计。