喀麦隆曼维莱水电站输水明渠衬砌方案优化设计

2017-11-13包第啸薛立宇

水利水电工程设计 2017年3期

李淼包第啸郭强薛立宇

李淼包第啸郭强薛立宇

通过详细地分析计算得出渠道计算断面最大渗漏量为2.8×10-5m3/(s·m)，全线渗漏量很小，因此，决定将渠道过水全断面由不透水衬砌调整为透水衬砌，即在混凝土衬砌的渠道边坡和底板上设置系统排水孔，以便于渠道水位骤降时迅速降低混凝土衬砌下的水压力，同时保留了混凝土衬砌板底部的反滤排水料、增设了反滤土工布。另外，结合工程所在地区气候温和的特点，优化了输水明渠混凝土板的施工分缝，在此基础上将原钢筋混凝土衬砌板优化调整为素混凝土衬砌板，加快了施工进度，该方案的优越性在项目实施过程中已经得到了充分体现。

输水明渠混凝土衬砌施工分缝优化

曼维莱水电站工程水库总库容为1.3亿m3，电站装机4台，单机容量52.75 MW，总装机容量211 MW。工程主要建筑物由首部挡水和泄水建筑物以及位于工程区左岸的引水发电系统建筑物等组成。

引水发电系统采用输水明渠引水、半地下式厂房加长尾水隧洞方案，主要由渠道进水口、输水明渠、天然前池、二道坝、电站进水口、压力管道、半地下式发电厂房、尾水管及尾水闸门井、尾水调压室(洞)以及尾水隧洞等建筑物组成。

1 设计方案比选

在项目前期可研阶段及合同文件《曼维莱水电站建设方案技术建议书》中，渠道衬砌采取不透水衬砌型式，即过水断面全断面采用钢筋混凝土衬砌，衬砌板之间的永久伸缩缝设置止水带，衬砌板下部设置30 cm厚的反滤透水层，渠坡两侧坡脚透水层内设置两根沿渠线方向的Φ300 mm的排水管，在渠堤两侧每隔一定的距离布置集水井并设置水泵进行抽水，以降低渠堤内的地下水，确保渠坡及混凝土衬砌板的稳定，该方案是国外渠道衬砌排水的常规方案。

详细初步设计阶段，根据最新地质勘察成果，发现渠道挖方段渠坡、渠底所涉及的土层——残积土层、强风化层、弱风化层，渗透系数均小于10-4cm/s；渠道填方段采用的基础换填土和堤身土压实后的渗透系数亦都小于10-4cm/s，输水明渠渠身、渠底土体、岩体渗透性都较弱。通过详细的分析计算得出渠道计算断面最大渗漏量为2.8×10-5m3/(s·m)，全线渗漏量很小，因此，决定将渠道过水全断面由不透水衬砌调整为透水衬砌，即在混凝土衬砌的渠道边坡和底板上设置系统排水孔，以便于渠道水位骤降时迅速降低混凝土衬砌下的水压力，避免混凝土衬砌被地下水顶托破坏，同时保留了混凝土衬砌板底部的反滤排水料、增设了反滤土工布。通过严谨的计算分析打消了法国科恩公司的咨询工程师对系统排水管被淤堵以及渠道渗漏损失水量大的疑虑，最终同意渠道排水方案的调整。

另外，输水明渠衬砌混凝土板合同中确定的是钢筋混凝土板衬砌，结合工程所在地区气候温和的特点，同时优化了混凝土板的施工分缝，除了垂直水流向每隔4 m设置永久伸缩缝外，顺水流向则每隔4 m及时对混凝土板进行人工切割半缝，在此基础上将原钢筋混凝土衬砌板优化调整为素混凝土衬砌板，节约钢筋约1 200 t。

2 输水明渠断面设计

本工程输水明渠为大型渠道，渠道设计断面尺寸确定首先要满足渠道的过流能力和不冲不淤的要求，在此前提下还要便于机械化施工和运行维修管理。综合考虑渠道沿线地质条件、运行条件及工程施工条件等因素，本项目采用梯形明渠断面。梯形断面具有施工方便、技术成熟、边坡稳定、运行管理和维修方便以及对地形、地质无特殊要求的有利因素。

根据地质条件，将渠道分为土方、石方两种类型段。最终确定的土、石方渠道断面为梯形，底宽分别为15.0 m和25.0 m，渠道深度均为9.0 m，过水内边坡分别为1∶2和1∶0.5，填方段外边坡1∶2；挖方段渠堤堤顶以上土质边坡为V∶H=1∶1.25、风化岩石边坡为V∶H=1∶0.75，每8～10 m设一级马道，马道宽度为3.0 m；渠道堤顶宽度按运行管理通车要求，两侧渠顶宽度均为7.0 m。不同断面尺寸渠段之间通过过渡段平顺连接。

输水明渠沿线全填、半挖半填以及全挖3种渠道典型断面分别见图1～3。渠道纵坡为1/4 000，渠道进口0+000.000桩号处的渠底高程为386.0 m。

图1 全填方渠段渠道典型断面示意图

图2 半挖半填方渠段渠道典型断面示意图

图3 全挖方渠段渠道典型断面示意图

3 渠道非过水断面边坡防护

3.1 全挖方渠段

渠堤堤顶以上土质边坡坡度为V∶H=1∶1.5，采用三维植被网进行防护。

渠堤堤顶以上风化岩石边坡坡度为V∶H=1∶0.75，根据边坡岩石条件及边坡高度情况视实际需要采用随机喷锚支护形式，喷素混凝土厚度8 cm，锚杆Φ20 mm@1.5 m，锚杆长度为1.5 m。

渠堤堤顶外侧沿渠线方向布设1道纵向排水沟，排水沟尺寸为1.0 m×0.6 m(宽×高)。两侧边坡顶部各布设截水沟。

3.2 全填方及半挖半填方渠段

全填方及半挖半填方渠段基本是沿丘陵间的谷底布设，且在水库蓄水之后(水库正常蓄水位为392.0 m)大部分沟谷低处将成为水库的一部分。因此，该段渠道左侧填方渠堤(渠堤堤顶高程约为395.0 m)在水库蓄水之后将会直接挡水，沟谷低处的右侧填方渠堤也会因雨水聚集而直接挡水，对渠堤运行安全不利。结合施工总布置，设计考虑将全填方及半挖半填方渠段两侧渠堤以外至少20～50 m范围内的沟谷作为永久弃渣场地，弃渣场顶高程与相邻渠顶同高。

4 输水明渠衬砌设计

渠道渗漏量计算假定如下：

(1)全挖方段渠段，渠水补给两岸地下水；

(2)全填方渠段和半挖半填方渠段，左岸库水和渠水补给右岸地下水；

(3)采用桩号HC 0+186.83处断面渗流量计算成果代表全填方渠段和半挖半填方渠段；

(4)采用桩号HC 2+475.81处断面渗流量计算成果代表全挖方渠段。

根据渗流稳定计算成果，全填方渠段和半挖半填方渠段断面通过渠道右堤的渗流量为2.84×10-5m3/(s·m)；全挖方渠段断面通过渠道左堤和右堤的渗流量分别为7.56×10-6m3/(s·m)和8.08×10-6m3/(s·m)。全挖方渠段1 530 m，全填方渠段和半挖半填方渠段为1 620 m。

渠道全线渗漏流量约为0.07 m3/s，与输水明渠的设计引用流量450 m3/s相比可以忽略不计，故渠道采用透水衬砌，衬砌主要作用为减少渠道糙率，降低发电水头损失，无防渗和结构限裂要求。根据本工程情况，采用分缝间不设止水并设置系统排水孔的透水衬砌设计，既能避免渠水大量外渗影响发电效益，又能保证渠道在水位骤降情况下，衬砌下的地下水能及时排水，避免衬砌隆起破坏。

土方渠道过水全断面采用现浇素混凝土板衬砌。渠道底板及边坡的衬砌厚度均为15 cm，混凝土板衬砌下部依次铺设土工布、20 cm厚的碎石垫层和反滤土工布；碎石垫层用于收集渠道渗水，反滤土工布用于保护碎石垫层下的堤身、堤基土。渠坡及渠底衬砌混凝土板上预留直径100 mm、间距2.0 m的UPVC排水孔，排水管深入碎石垫层10 cm，管口采用反滤土工布包裹。渠道衬砌混凝土纵向每20 m设置1道永久缝，缝宽20 mm，缝内填充闭孔泡沫板。边坡设置3道顺水流向诱导缝，采用切缝机切缝，缝深7.5 cm。土方渠段衬砌设计见图4。

图4 土方渠段衬砌设计

石方渠道过水全断面同样采用现浇素混凝土板衬砌。渠道底板混凝土衬砌混凝土板下部铺设10 cm厚水泥砂浆找平层，渠底及边坡的实际衬砌厚度15 cm；渠坡及渠底衬砌混凝土板及岩石内布设直径100 mm、间距2.0 m的排水孔，排水孔入岩深度为0.5 m，孔内安装UPVC花管，反滤土工布包裹。渠道衬砌混凝土纵向每20 m设置1道永久缝，缝宽20 mm，缝内填充闭孔泡沫板。边坡设置3道顺水流向诱导缝，采用切缝机切缝，缝深7.5 cm。石方渠段衬砌设计见图5。