水电站超长尾水渠方案优化调整与施工

李 娟，刘 刚

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024)

1 工程概况

非洲某水电站正常蓄水位库容109.1×108m3，电站额定水头92 m，单机额定出力175 MW，且需满足水库水位在230 m，发电流量不超过880 m3/s情况下，电站出力至少为700 MW(四台机满发)。工程主要建筑物包括碾压混凝土重力坝与沥青混凝土心墙堆石坝组合坝、坝后厂房及尾水渠、坝身溢洪道及消力塘、左岸开关站等。坝长2360 m，其中RCC坝坝长1040 m，最大坝高101 m。工程等别为Ⅰ等，工程规模为大(一)型。工程2013年9月正式开工，计划2021年9月首台机发电。项目合同类型为EPC合同。

招标设计和合同规定，为提高机组出力，采用加大降低厂房建基面，开挖超长尾水渠的方式设计，以降低尾水位获得较大的发电净水头，达到增加发电量的目的[1]。但同时该要求导致下游尾水河道整治工程量巨大，为充分利用开挖料，开挖料用于堆石坝坝体填筑。

2 方案初拟

经研究计算，尾水位EL.136.62 m，可保证净水头不低于92 m同时在水头损失1.38 m(进水口和压力钢管水头损失计算)情况下保证电站有700MW的出力，正常蓄水位为EL.230.00 m，流量为880 m3/s。

根据实测水面线以下地形和计算分析(采用HEC-RAS*美国陆军工程兵团水面线计算软件)，在尾水渠长度约5 km时，厂房出口尾水位可控制在EL.136.62 m以下。据此提出尾水渠改造方案，方案总平面布置见图1，详细参数见表1，初步推荐方案1和方案2。两方案渠长均为5 km，渠宽、起始高程略有不同，但厂房出口尾水位(水头)均满足要求，主要区别是布置方式(地形)不同，工程量差异大。

图1 尾水渠各方案总平面布置图

表1 尾水渠不同布置方案参数对比汇总表

3 方案优化调整

3.1 原方案1和方案2的优缺点

方案1渠道特点为窄渠65 m，陡边坡1∶0.25，低底板EL130 m，尾水渠布置在河床内；方案2渠道特点为宽渠90 m，缓边坡1∶0.75，高底板EL132.5 m；大部分设计断面为靠近河床，半河床半河岸开挖。

上述两方案存在的问题：两方案尾水渠均布置在河床内或半河床半河岸，开挖时河床过水，水面线以下开挖工程量较大，且施工难度大；若尾水渠全部蓄水后开挖，开挖料不能用于堆石坝填筑(填筑需蓄水前完成)，堆石坝料源需回采，增加工程成本。尾水渠全部在蓄水期间完成，工程进度难以保证。

3.2 堆石坝填筑工程量及施工时段、进度强度

堆石坝设计坝壳堆石料共460万m3(压实方)。根据总进度安排，计划2019年1月底完成现场工艺试验后，开始填筑坝壳料。填筑时段共21个月，蓄水前全部填筑完成。平均填筑强度460万m3/21=22万m3/月，高峰填筑28万m3/月。

3.3 根据堆石坝工程量推算的尾水渠需要开挖量

堆石坝填筑需堆石料460万m3(压实方)，考虑尾水渠开挖料可利用料系数0.75和填筑压实系数1.3(空隙率22%，压实密度2.07 t)，则需尾水渠水面线以上开挖有用料自然方工程量为460万m3(压实方)×0.75-1×1.3-1=472万m3(自然方)。

3.4 调整方案

经多次计算和对典型布置方案1和2分析，在长度，糙率、底坡等基本参数确定后，厂房出口尾水位变化不大，轴线则可调整。

对比上述两方案，方案1相对于方案2为窄深渠，清表面积小，开挖后有用料利用率高，故优化方案选择渠宽65 m；为减少厂房基础开挖量，尾水渠底板起始高程选择132 m，同时适当增加渠道纵坡i至1.4‰。同时结合地形，对轴线位置进行调整，将尾水渠中部调出河床至右岸台地，调整工程量，以满足堆石坝直接上坝填筑要求。

综上分析，对尾水渠开挖布置和参数进行试算调整，调整后的方案参数、工程量见对比汇总表(表1)方案3，渠道平面布置见尾水渠各方案总平面布置图(图1)中方案3。

优化调整后的方案3，尾水轴线相对更平顺，且大部分布置在右岸平缓台地，水面线以下开挖工程量少，利于施工；窄深渠，有用料利用率高；水面线以上开挖总量满足堆石坝填筑要求。

4 尾水渠施工(方案3)

4.1 开挖程序

(1)开挖顺序：先开挖尾水渠中段(K1+600～K4+200，全部在河床外)部分，然后旱季开挖尾水渠上游段(K0+000～K1+600)和下游段(K4+200～K5+020)的河床部分的常水位以上部分，蓄水后进行上游段和下游段剩余常水位以下部分开挖，且由下游末端处向上游开挖。

(2)开挖分层分区：开挖分区宽度30 m～50 m；尾水渠开挖深度10 m～22 m；开挖高度大于15 m时，分2层开挖，分层(梯段)高度8 m～10 m。

(3)开挖总的施工程序：自上而下施工，先覆盖层，后石方分层开挖。各级开挖边坡形成之前完成相应高程的地表及生态放流的引排水施工。覆盖层开挖采用人工配合液压反铲、推土机、装载机清理表面，石方开挖用CM351高风压钻机或D7钻机，采用自上而下分层开挖。边坡采用预裂爆破成型，施工马道底部30 cm～50 cm预填柔性垫层一次爆破成型，开挖渣料采用液压反铲或装载机装碴，自卸汽车运输出碴。

4.2 道路及渣场布置

尾水渠作业面窄长，右岸河边布置一条施工主道路，出渣道路提前扩挖，每400 m左右布置一出渣支路与主路连接；道路开挖约8×104m3。

开挖有用料直接上坝；清表、覆盖层及弃渣(约100万m3)直接就近拉运至右岸尾水渠弃渣场(尾水渠K1+600～K2+600右侧EL160 m台地)，渣场面积1.6万m2，堆高8 m。

4.3 常水位水面线以上开挖

2019年2月～2020年10月，开挖尾水渠河床外部分(中段)；2019年11月至2020年6月旱季，开挖尾水渠河床部分的水上部分(上游段和下游段)，此时河道平均流量251 m3/s，根据ADCP实测D断面流量-水位数据，以及D1断面水位数据，结合河道地形断面，流量251 m3/s时，河道各断面平均流速0.7 m/s～1.2 m/s(河面束窄，险滩、跌坎处取大值)，过水面积320 m2～370 m2；为保证施工安全，旱季流量按300 m3/s取值，过水面积410 m2，由河道地形横断面和估算的过水面积推算旱季各断面常水位，进而推算各断面可提前(蓄水前)开挖部分。开挖典型断面[2]见图2。

图2 蓄水前水面线以上开挖典型断面图(单位：m)

尾水渠水面线以上开挖，沿水流方向逆向进行分段进行施工，分两层进行，单个爆破块的宽度为不宜大于30.0 m，根据现场地形情况适当调节，第二层开挖可适当滞后第一层1～2个梯段进行，开挖渣料采用液压反铲挖装，自卸汽车运输直接上坝。

4.4 蓄水后开挖导水措施(水面以下开挖)

尾水渠水面线以下开挖，顺水流方向进行施工，分两层进行，梯段为10 m～15 m，单个爆破块的宽度不宜大于50.0 m，施工时先顺水流方向抽一个先锋槽，让地表水及下泄生态流量顺利过流，保证开挖在干地进行，先锋槽完成后，两边同时开挖，开挖渣料采用液压反铲挖装，自卸汽车运输直接上坝。

(1)河床断面宽，且较平整时，开挖导水槽[2](见图3)。生态流量8 m3/s(施工时段11月～次年8月)，流速0.5 m3/s～0.8 m3/s左右(水深1.2 m，糙率0.04)，过水断面不小于20 m2。

图3 蓄水后尾水渠开挖典型断面图a(单位：m)

(2)河床断面有深槽时，利用原河床河槽深槽部位导水(见图4)，保证剩余过水断面20 m2即可。

图4 蓄水后尾水渠开挖典型断面图b

4.5 尾水渠开挖时段和开挖强度

开挖时段水面线以上共21个月，平均开挖强度470/21=22.4万m3/月，高峰强度29万m3/月。水面线以下开挖在蓄水后进行，开挖工期9～10个月，水面线以下开挖平均强度13万m3/月，具体开挖进度计划见表2。调整后的尾水渠方案与堆石坝填筑上坝料强度、时段匹配，满足进度要求。

表2 尾水渠开挖施工进度计划

5 实施效果

尾水渠开挖按优化调整后的布置方案实施，2019年1月底堆石坝工艺试验完成后，尾水渠开挖料正式上坝填筑。截至2020年7月，堆石坝坝体填筑完成90%(见图5)，尾水渠水上部分开挖与填筑强度、进度匹配，开挖有用料全部用于堆石坝坝体填筑。尾水渠开挖体型良好(见图6)，已完成部分通过业主验收。

图5 堆石坝同期填筑完成

图6 尾水渠渠道开挖后效果

6 结语

通过对超长尾水渠布置方案比选研究及调整，使尾水渠布置更加合理，水面线以下开挖量减少，开挖与堆石坝填筑强度、进度完全匹配，节约了工程成本。堆石坝填筑按期达到计划形象，为实现2020年年底蓄水及2021年发电目标奠定了基础。该长尾水渠布置优化调整过程可为类似项目借鉴。