水电站发电引水渠冻胀处理工艺

吴天祥

（新疆新华水电投资股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830063）



水电站发电引水渠冻胀处理工艺

吴天祥

（新疆新华水电投资股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830063）

［摘 要］新疆冬季运行渠道冻胀是较为普遍的问题，文章分析了小山口二级水电站发电引水渠道的冻胀原因、渠道冻胀特点及处理实施的工艺、方法。得出工程处理关键是针对引起冻胀的本源——冻胀土进行了挖除换填，才从根本上解决了问题；另一方面要加强渠道的科学管理,科学调度运行，不能骤降渠道水位。

［关键词］引水渠;冻胀;施工工艺

1　工程概况

小山口二级水电站位于巴音郭楞蒙古自治州境内的开都河下游和静县境内，小山口电站下游7.5 km处，小山口二级水电站为无压引水式电站，利用小山口电站尾水发电。枢纽主要建筑物有引水闸、退水闸、引水渠道、前池、溢流堰及泄水道、压力管道、厂房、尾水渠等。工程总投资47 012.13万元，电站装机容量3×16.5 MW，建设工期26个月。工程于2010年5月开工，2013年11月投产发电。

电站引水渠总长6 096 m，为非自动调节渠道，渠道防渗采用现浇砼板加复合土工膜防渗形式，渠底、渠坡为10 cm的C20混凝土衬砌。渠基为泥质砂岩和泥岩的渠段可能发生冻胀破坏，对该类渠道抗冻胀设计采用两种方案，0+062.5～0+ 700段采用换填1.0 m的砂砾石保温，2+350～4+ 350段采用10 cm厚保温苯板保温防护。

2　冻胀原因分析

2.1事件经过

由于上游电站尾水清淤，导致开都河河道断流。2014年3月2日电站被迫停机，引水渠道水位逐渐降低。3月11日运行人员在渠道巡视过程中，发现渠道部分桩号混凝土面板出现凸起和凹陷现象。为保证小山口二级水电站工程水工建筑物的安全运行，按尽量减少问题渠板的处理范围和对粉土基础混凝土板采取保温处理措施原则，经多方案比较论证提出永久处理方案。

2.2原因分析

小山口二级水电站引水渠道混凝土衬砌板冻胀破坏，其原因主要是渠道右岸冻胀区域地层透水率很低的粉土（冻胀土质）未做换填处理，渠堤外冬灌地下水位太高，渠道排水逆止阀因水中析出钙质阻塞滤网，外来水排出不畅，使得渠道水位下降后形成内外水位差，渠道水位变化区混凝土板下地下水与粉土结冰体积膨胀产生顶托作用，对衬砌混凝土板造成破坏。

参照新疆类似工程存在问题的处理方案，认为采取表面喷涂保温层和覆盖混凝土的处理方法不能彻底解决问题，须将破坏严重的右岸0+620～1+083.5范围自上数1～4块的混凝土板拆除，换填2 m厚度的砂砾石或者级配砾石，重新铺设两层一布一膜土工膜，浇筑衬砌混凝土板，缝内填充采用高压闭孔板，迎水面2 cm深度用防水堵漏剂填缝。土工膜采用基布200 g/m2，膜厚0.3 mm的土工膜，土工膜的做法是下层土工膜布面朝下，上层土工膜布面朝上,只有下层土工膜与原有的土工膜焊接。

渠道左侧坡面的裂缝择机采用堵漏剂进行处理。

3　冻胀处理方案

3.1渠道右侧混凝土板破坏处理工艺流程

此段为渠道基础冻胀造成的混凝土面板破坏，为最为严重区域。该段已对冻胀土质进行换填为核心处理，施工工艺分为7个工序，按流程依次为混凝土面板及路缘石拆除→冻胀土挖除→级配砾石回填→砂浆找平层铺筑→土工膜铺→设混凝土浇筑→伸缩缝处理。自4月20日停机排空渠道开始，历时26 d，圆满完成。

3.1.1混凝土面板及路缘石拆除

1）工艺步骤。根据设计通知确定的拆除范围，采用自喷漆将拆除部位现场标识，考虑到机械拆除混凝土面板易发生面板大面积滑落至渠底无法清除和容易破坏土工膜的因素，混凝土拆除采用人工拆除方式。根据划定的拆除范围，从上到下进行拆除，开凿工具采用风钻和风镐。破除的混凝土面板和路缘石块及时清理至渠顶，防止落入渠底，运输至渠顶后人工装8t自卸车将混凝土运输至弃渣场。

拆除时注意保护拆除边缘部位土工膜，不可用力过大或使用锤子猛击混凝土板，拆除至划定的拆除边线时不能再使用风钻或风镐，应利用钢钎沿开口向四周剔除。使预留的20 cm宽土工膜完好，便于后续的焊接。

2）人员设备投入。此部位共有混凝土10 m3，按每工时拆除0.015 m3计算，计划投入工人31名，风钻和风镐各两台，8 t自卸汽车一辆，4名工人手持风钻和风镐钻孔破碎，10名工人进行拆除，11名工人将混凝土搬运至渠顶，6人负责装车。

3.1.2冻胀土挖除

1）工艺步骤。混凝土拆除完成后，将拆除部位混凝土板下的土工膜割除，割除时预留足够的搭接宽度。采用1 m3挖掘机开挖冻土，由需要处理部位两端开始，采取后退法开挖。开挖前沿需处理部位的两端修整一条宽3.5 m，纵坡不大于15%的上坡马道，修整马道时会造成部分路缘石及渠道面板破坏，将破坏的混凝土一并挖除外运。冻土开挖分两层进行，第一层开挖深度为1.5 m，第二层开挖深度为3 m，基底高程为上数第四块混凝土面板底高程，考虑到此高程存在地下水，且开挖完成后冻土经日晒融化可能有淤泥形成，基础承载力无法满足自卸汽车行驶要求，此时可将淤泥挖除并换填砂砾石，以便满足后续的施工.开挖出的冻土装8t自卸汽车运输至弃渣场。

2）人员设备投入。该部位冻胀土挖除方量8 640 m3，因开挖部位狭窄长，道路为单行车道，道路湿陷的可能性大，挖掘机装车时，自卸汽车倒车距离平均200 m，1 m3挖掘机装车，8 t自卸车按每天拉100 m3考虑，共配备2台挖掘机，8台自卸汽车。每天挖除方量800 m3，计划施工日期4月21日～5月1日。设备进场日期4月20日，并在安全区域配备10 m3油罐一个。

3.1.3级配砾石回填

1）工艺步骤。冻胀土挖除后，人工对基面进行清理整平夯实，基面经验收合格后进行级配砾石回填施工。级配砾石从料场取料，采用1 m3挖掘机装8t自卸汽车运输至现场，由专人根据回填厚度及宽度指挥卸车，回填厚度根据现场试验进行确定采用74 kW推土机进行整平，13.5 t凸块振动碾碾压。对于边角处振动碾压实不到的部位，工人使用2.8 kW蛙式打夯机进行夯实，每层级配料填筑完成并压实后，由监理进行相对密度检测，检测合格后进行下一层施工。回填一定层数后及时对坡面上多余的砂砾料进行清理，填筑完成后采用人工进行坡面修整，剔除较大石块，修整后的坡面满足铺设砂浆保护层的要求。

在施工过程中尽量避免砂砾料和石块落入渠道，对于落入渠道内的石块及砂砾石及时清理。

2）人员设备投入。本部位级配砾石方量8 630 m3，因开挖部位狭窄长，道路为单行车道，自卸汽车运输至施工区域后，倒车距离平均200 m，8 t自卸车按每天拉110 m3考虑，共配备2台挖掘机，8台自卸汽车。每天挖除方量880 m3，级配砾石回填分两段进行。

3.1.4砂浆找平层铺筑

1）工艺步骤。找平层砂浆标号为M10，砂浆由和静商品混凝土站购置，混凝土搅拌车运输至施工现场，运距85 km，运输到现场后采用使用溜槽将砂浆输送至坡面，砂浆铺筑前，先将坡面洒水湿润，然后人工将砂浆均匀铺筑在坡面上，采用瓦刀摊平抹面。抹面完成后进行检查，避免出现突起石块或尖锐物。

2）人员设备投入。砂浆找平层施工方量89.64 m3，按每名工人每天完成0.25 m3计算，计划投入52名工人，20人负责卸料摊铺，32人负责整平抹面。每天完成13 m3。

3.1.5土工膜铺设

1）工艺步骤。土工膜尺寸可根据现场实际情况进行定制，尽量减少搭接，将底层的土工膜布面朝下铺设于砂浆找平层上，与预留的土工膜至少有20 cm的搭接宽度，先用抹布将边缘预留的土工膜擦拭干净并晾干。土工膜采用土工膜焊缝机焊接，选用焊接经验丰富的工人进行，焊接完成后报监理进行联合检验，检验合格后进行上层土工膜铺设，上层土工膜将底层的土工膜完全覆盖，为防止上层土工膜下滑，两层土工膜间采取焊接或粘接固定。

2）人员设备投入。土工膜铺设面积10 098 m3，按每名工人每天完成42 m2计算，计划投入24名工人，4台土工膜焊缝机，土工膜粘接材料工具10套，6人负责铺设，8人用焊缝机焊接。10人粘接，每天完成966 m2。

3.1.6混凝土浇筑

1）工艺步骤：混凝土由和静商品混凝土站购置，混凝土搅拌车运输至施工现场后，试验员在旁站监理的见证下进行取样，试块留备检验。混凝土使用溜槽输送入仓，浇筑时从下到上浇筑，伸缩缝错缝设置，混凝土入仓后先采用使用手持式振捣棒进行混凝土振捣，振捣均匀，时间不宜过长。并注意保护下部土工膜，尽量减少踩踏，混凝土浇筑过程中每隔2.5 m设置一道伸缩缝，伸缩缝形式同原设计，缝内填充高压闭孔板，混凝土平仓完成后根据混凝土初凝情况及时收面抹光。浇筑完成及时覆盖并洒水养护。

2）人员设备投入：混凝土浇筑方量为505.22 m3，按每人每天浇筑0.8 m3，计划投入工人64人，混凝土罐车4辆，每天完成51.2 m3。

3.1.7伸缩缝处理

1）工艺步骤。迎水面2 cm厚防水堵漏剂采用聚硫密封胶，注胶前采用手持鼓风机将缝内的粉尘、碎渣等杂物清除。密封胶填缝前先检查伸缩缝，确定无杂物、积水，并保证缝内干燥，伸缩缝两侧各粘贴一道胶带，防止施工时密封胶污染面板。密封胶在现场拌合，严格按照配比要求，即拌即用。密封胶嵌缝采用用油灰刀将密封胶填入伸缩缝中，并稍加按压，使密封胶将伸缩缝填实，避免形成空腔。填缝工人完成填胶后，后面安排专人进行抹平修整。

聚硫密封胶一般24 h后可正常硫化，完全硫化需7 d时间，在此段时间内应注意保护，防止人为破坏。

3.2渠道左侧混凝土板处理工艺流程

此段破坏为渠道基础冻胀造成的混凝土面板隆起，由于渠道左岸为阳面，相对右岸阴面破坏程度较轻，部分混凝土板出现隆起。该段主要以喷涂聚氨酯保温层的吸热保温措施处理。施工工艺分为3个工序，按流程依次为伸缩缝及裂缝处理→基面清理→ 聚氨酯保温层喷涂。此段工程量较小，历时7 d完成。

4　结语

在新疆冬季运行渠道冻胀是较为普遍的问题，分析原因影响衬砌渠道冻胀的主要因素有：

1）土质影响。基土土质对衬砌渠道的冻胀有一定影响，透水性较强的基土土质如砂砾土，一般冻胀破坏发生的较轻；反之粘土性、粉土就重。

2）温度的影响。温度越低基土冻深越深，则冻胀问题越严重。因此，寒冷地区比较明显。该工程所在地在新疆天山南簏，冬季近5个月，冬季平均温度为-20℃。由此引起的冻胀破坏问题尤为突出。

3）水的影响。由于渠道在运行当中长期有水,基土经常因渗漏而被浸充水分,水分因受冻产生鼓胀。这是三要素是发生冻胀的主要介质、原因。

对于渠道冻胀问题，应采用综合治理措施防治衬砌渠道冻胀的措施，应当是工程措施与管理措施相结合，一方面要因地制宜地采取防冻的工程措施,再经过经济比较,采取改换填土、隔水防渗、结构处理及保温减冻等措施综合解决，该工程处理关键是针对引起冻胀的本源——冻胀土进行了挖除换填，才从根本上解决了问题；另一方面要加强渠道的科学管理，科学调度运行，不能骤降渠道水位。

［中图分类号］TV698.2+6

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）05－0012－03

[收稿日期]2015-12-24