淺談水墜法在米蘭電站引水渠渠道土方施工中的應用

夏明華

（新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院一分院 新疆 石河子 832000）

1 概述

新疆兵團農二師36團（以下簡稱“36團”）團部位于米蘭鎮，其所轄的米蘭墾區地處巴音郭楞蒙古自治州若羌縣以東74km，距庫爾勒市517km，是一個水系及電力系統獨立的孤立綠洲。米蘭河三級水電站（以下簡稱“三級電站”）位于36團以南米蘭河出山口下游9km處的河道右岸，是實現36團生態環境建設規劃和農村電氣化縣建設規劃的骨干電力建設工程。電站的建設能顯著緩解米蘭墾區的電力緊張狀況，并為36團生態經濟林的發展提供廉價、潔凈的電力。三級電站為引水式電站，自二級電站尾水引水，電站設計發電流量5.00m3/s，采用明渠輸水，設計水頭45.33m，電站總裝機1890kW，選裝3臺HLA575C-WJ-71水輪機，單機流量1.67m3/s；3臺SFW630-10/1430水輪發電機，單機容量630kW，電站總裝機1890kW，電站的多年平均發電量為1095.68萬kW·h，裝機年利用小時為5797h。

2 工程地質概述

渠線分布在米蘭河側蝕的陡坎上，陡坎間表層渠基土，由全新統坡積（Q4dl）所形成的含角礫細砂混合土，坡積厚度在10m～30m之間，其結構松散，承載力低，透水性強，開挖過程中坡角流動現象明顯，存在邊坡穩定問題。

渠基以下回填土邊坡間建議不小于1∶1.75，渠基以上陡坎自然開挖邊坡建議不小于1∶1.00。

3 渠道設計

為降低工程投資，盡量減少棄方以及外借方，本渠道工程基本傍山布置，渠道斷面基本為半填半挖斷面，渠道填方土方盡量利用渠道挖方的土方。

渠道斷面形式采用梯形斷面，襯砌結構采用現澆混凝土板+兩布一膜結構。

3.1 設計流量的確定

經水力動能分析比較，電站的設計發電流量取為5.00m3/s，電站90%保證率下設計流量為2.61m3/s，由于引水渠較短且渠道斷面較小，渠道沿程損失可忽略不計。因此，電站引水渠的設計流量采用電站的設計發電流量，為5.00m3/s，電站90%保證率下設計流量為2.61m3/s。

3.2 縱坡設計

引水渠道縱坡考慮經濟性和運行管理等要求，既要防止泥沙淤積又要考慮冬季防冰等方面因素，同時結合水力動能多方案比選，確定引水渠縱坡為i=0.0007。

3.3 水力計算

經水力計算，渠道設計流量5.00m3/s時，流速為1.29m/s，渠道水深1.42m。電站90%保證率下引水流量2.61m3/s時，流速為1.10m/s，渠道水深1.08m，滿足冬季運行對渠道流速的要求。引水渠水力計算見表1。

3.4 橫斷面結構

引水渠橫斷面采用8cm現澆混凝土板護砌，防滲材料采用兩布一膜，兩布一膜規格選用200g/0.3mm/200g。

3.5 引水渠橫斷面設計

渠底寬確定為0.6m，渠道內邊坡取1∶1.5；填方渠道外邊坡取1∶1.75，挖方渠道渠堤以上邊坡取1∶1。由于本電站引水渠道填挖方外邊坡高度均較大，擬每5m設馬道一道，馬道寬取為1.0m。

渠道超高的計算，按下式進行計算：

式中，ζ——設計流量下，電站突然甩滿負荷時的最大涌波高度（m）；

δ——安全超高，根據《小型水力發電站設計規范》（GB 50071-2002）之規定，本電站引水渠的安全超高取0.4m。

根據《水電站引水渠道及前池設計規范》（DL/T5079-2007）之規定，本電站引水渠系統為非自動調節渠道，其渠道的最高涌波高度ζ可按以下計算方法進行計算，即將恒定流時的堰上水頭（經前池溢流堰的水力計算，堰上水頭為0.37m）乘以1.1～1.2系數，把這時的水位定為最高涌波高度。根據計算，本電站引水渠的最高涌波高度為0.407m～0.444m，本工程取中間值為0.42m。

根據計算，渠道超高Fb＝0.4+0.42＝0.82m。

表1 引水渠水力計算表

因此，渠道深度H=1.42+0.82=2.24m。

渠道橫斷面設計時，充分考慮經濟性以及當地多風沙等實際情況，設計渠深取2.0m，另在渠堤內側設置0.30m×0.30m（高×寬）的C10細粒混凝土漿砌卵石擋塊。同時擋塊既能攔擋渠挖方側邊坡的砂礫石以及暫時性的坡面洪水進入渠道，又能部分填方側由于大風引起的風沙進入渠道，以滿足渠道的超高要求。為滿足運行管理要求，左側渠堤寬選為3.5m，右側渠堤寬選為1.5m。

4 渠道土方施工

渠道土方施工包括填方施工以及挖方施工，本文著重論述渠道土方填方施工。根據現場實際情況，土方填方施工方案有常規的分層碾壓施工方案以及水墜法施工方案兩種方案可選，根據施工工期、經濟性進行多方面比較確定最終的施工方案。

4.1 方案一：常規的分層碾壓施工方案

常規的施工碾壓方法施工方案是填筑前先清基，然后再利用176kW的推土機推運渠道挖方部分的土方至填筑面，灑水至最佳含水量采用14t振動碾進行分層碾壓，以達到設計相對密度要求。

根據工程渠道土方工程量以及施工能力分析，采用傳統的機械碾壓方案的施工工期為3個月，其工程總投資為67.92萬元。

4.2 方案二：水墜法施工方案

根據相關資料記載，在我國西北黃土地區及新疆沙土地區，采用水墜法進行土壩土方填筑施工應用較多。水墜壩是充分利用山區的高陡坡、窄河谷、料場位于壩頂以上的自然地形，將水引至料場，以水槍和松動爆破等方式開挖土料，借水力沖刷，造成泥漿，經輸泥渠輸入已筑好圍埂和分畦的壩面，再經脫水固結，形成均勻密實的壩體。水墜壩的施工方法即為水墜法施工[3]。在我國新疆和田地區于田縣境內，于1968年始建，1976年竣工的東方紅水庫工程是在沙土地基上利用人工回填沙土，再利用水墜方法進行填筑的均質土壩，目前，該水庫大壩運行良好。

根據工程渠道土方工程量以及施工能力分析，采用水墜法施工方案由于減少灑水及分層碾壓的施工工序，初估工程最終施工工期（考慮泡水時間）為2.5個月，其工程總投資為51.98萬元。

4.3 方案選擇

根據現場實際情況，結合當地施工經驗，本渠道工程渠道填筑土料（土料為沙土）及水源（能直接從上游二級電站自流輸水）條件滿足水墜法施工條件要求，比較適合水墜法施工，同時結合施工工期以及工程投資進行比較后，確定本渠道工程土方填筑采用水墜法進行施工。該施工方案可加快施工進度，并節省工程投資。

4.4 土方施工

其具體填筑方法為：填筑前先清基，然后利用176kW的推土機推運渠道挖方側的土方至填方側，并整體堆積成型。成型的渠道外邊坡為滿足沉降后外邊坡要求，水墜前的渠堤外邊坡不小于1∶2.0。然后采用1m3挖掘機開挖渠槽，初期開挖的渠槽要預留0.5m左右厚的富裕沉降帶，初期渠槽開挖成形之后進行泡水進行沉降密實同時為保證沉降后的斷面不小于設計斷面，在水墜過程中還需根據現場實際情況進行土料的均勻補充。水墜水源直接取自上游二級電站尾水，當二級電站不發電時，選擇直接從河道引取。為防止因渠道出現集中滲漏通道而出現決堤事故，水墜過程需對渠道分段灌水，每段的控制長度應根據土層的滲透性能確定，一般控制在30m～50m之間。輸水方案宜采用管道輸水，管徑也不宜過大，一般采用DN 110mm的PVC管或者塑料軟管輸水，不可直接通過開挖的渠槽大流量輸水，以防出現決堤事故。水墜時間確定需根據現場實際情況確定，其確定方法可對水墜后的渠基的相對密度進行檢測，以達到設計指標為控制時間。即使達到設計相對密度指標也最好能預留2～3個月左右的自然沉降期以進行自然沉降固結過程（該沉降期在西北地區的冬歇期可得到保證）。泡水完畢經檢驗合格后，可人工精修渠槽進行下一步工序的施工。

5 結語

米蘭電站引水渠渠道土方工程采用水墜法進行施工之后（考慮泡水時間）的施工工期較常規的分層碾壓施工方法的施工工期縮短近1/6，工程投資降低約1/5。同時，經多年的運行觀察，渠道在運行過程中也未出現滲透變形、沉降變形等渠道病害，由此說明該施工方法在米蘭電站引水渠渠道土方工程中是能滿足工程要求的。陜西水利

[1]GB 50071-2002.小型水力發電站設計規范[S]。

[2]DL/T5079-2007.水電站引水渠道及前池設計規范[S].

[3]水利電力部第五工程局.土壩設計（下冊）[M].北京：水利電力出版社，1978。