淺析大流量填方動(dòng)力引水明渠臨河側(cè)防護(hù)設(shè)計(jì)

賈紅娟

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

白龍江錦屏水電站地處甘肅省隴南市武都區(qū)兩水鎮(zhèn)境內(nèi)，是白龍江干流，沙川壩至苗家壩河段水電開發(fā)調(diào)整規(guī)劃中，兩水電站與漢王電站之間的插補(bǔ)電站，樞紐位于拱壩河河口下游煙墩村附近，廠房位于白龍江右岸，上距樞紐約2.8 km，工程采用低壩引水式開發(fā)，由樞紐、引水系統(tǒng)、廠房和升壓站等建筑物組成，電站裝機(jī)容量18 MW。錦屏水電站工程設(shè)計(jì)發(fā)電引水流量176 m3/s，計(jì)入排砂流量時(shí)總引水流量184 m3/s。

工程于2014 年11 月開工建設(shè)，2017 年7 月首臺(tái)機(jī)發(fā)電。

2 明渠方案工程地形地質(zhì)條件

工程區(qū)白龍江河道斷面形態(tài)呈寬敞的“U”字型，河床寬120 m～170 m，動(dòng)力引水明渠沿白龍江右岸坡腳順河布設(shè)，占用50 m 左右寬的原河道，渠道采用梯形明渠，引水至河壩大橋上游約2 km 的白龍江右岸漫灘進(jìn)入發(fā)電廠房，全長(zhǎng)約1.35 km。明渠前段渠底高程基本與河漫灘地面高程一致，后段渠底高程基本與河漫灘地面高程高3.0 m 左右，除右側(cè)渠堤有局部位置需開挖外，其余渠道均為填方渠段，渠道地基均為砂卵礫石層。砂卵礫石呈灰白、青灰色，稍密～中密，厚30 m～36 m，局部夾有碎石土透鏡體。卵礫石一般粒徑2 cm～15 cm，最大35 cm，成分以灰?guī)r為主，砂巖次之，磨圓較好，多呈亞圓狀，顆粒級(jí)配良好，分選性較差，其中卵石含量5%～15%，礫石含量約60%～70%，砂含量25%～35%，泥含量3%～5%。明渠存在的工程地質(zhì)問題主要有施工基坑涌水、左側(cè)河水沖刷以及渠道臨河側(cè)渠堤穩(wěn)定等。

3 動(dòng)力引水明渠布置及臨河側(cè)防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)力引水明渠布置

動(dòng)力引水明渠沿白龍江右岸坡腳順河布設(shè)，在布置渠線時(shí)，充分考慮地形地質(zhì)條件，在滿足白龍江行洪寬度的前提下，將動(dòng)力引水明渠在滑坡段盡量靠河布置，遠(yuǎn)離滑坡體，以免施工時(shí)開挖坡腳造成滑坡體失穩(wěn)?？傞L(zhǎng)1352.50 m，均為梯形斷面，縱坡1/2000，渠底寬5.10 m，渠深6.40 m～7.18 m，邊坡1∶1.5，渠口寬24.3 m～26.64 m。渠道通過設(shè)計(jì)引水流量176 m3/s 時(shí)，渠道水深5.14 m，流速2.98 m/s；計(jì)入排砂流量（Q=184 m3/s）時(shí)，渠道水深5.26 m，流速3.02 m/s，渠頂超高1.04 m～1.82 m。

渠道采用現(xiàn)澆C25 鋼筋混凝土襯砌，渠底襯砌厚度0.35 m，渠坡襯砌厚度0.20 m～0.35 m，渠底采用雙層鋼筋網(wǎng)，渠坡距渠底5.0 m 高度內(nèi)采用雙層鋼筋網(wǎng)，其余部分只表層配設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)。

3.2 明渠臨河側(cè)防護(hù)設(shè)計(jì)

3.2.1 臨河側(cè)防護(hù)型式選擇

動(dòng)力引水渠道基本都是填方渠，渠頂較河床高10 m～15 m，為保證渠道渠基及渠堤安全，防止河水沖刷渠基，需在渠基臨河側(cè)設(shè)防護(hù)設(shè)施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，并綜合考慮當(dāng)?shù)氐谭拦こ虒?shí)施情況，可采用的防護(hù)形式有三種方案。

（1）方案一

左側(cè)渠堤外渠坡設(shè)計(jì)邊坡1∶1.5，護(hù)坡底至校核洪水位（P=1%）以上1.0 m 范圍內(nèi)，采用30 cm 厚現(xiàn)澆C25 鋼筋混凝土襯砌，再以上護(hù)坡采用混凝土網(wǎng)格梁草皮護(hù)坡，植草綠化[1]?；炷磷o(hù)坡上間、排距1.5 m 梅花形布置?50PVC 排水管，排除渠堤及渠基滲水。

（2）方案二

在渠堤臨河側(cè)設(shè)現(xiàn)澆C20 砼重力式抗滑、防沖擋墻，擋墻高度13.0 m～18.0 m，頂寬1.0 m，底寬11.0 m～15.0 m。臨河側(cè)擋墻上間、排距1.5 m 梅花形布置?50PVC 排水管，排除渠堤及渠基滲水。

（3）方案三

在渠基臨河側(cè)設(shè)重力式抗滑、防沖擋墻，擋墻高度9 m～10 m，頂寬1.0 m，底寬7.7 m～9.0 m，擋墻抗沖齒深根據(jù)河寬及河勢(shì)，前段基礎(chǔ)伸入地面以下4.0 m，后段基礎(chǔ)伸入地面以下5.0 m，坡腳部位拋填鋼筋籠塊石防沖。擋墻頂設(shè)4.5 m 寬?cǎi)R道，可作為外渠坡及擋墻基礎(chǔ)檢修通道。擋墻頂以上左側(cè)渠堤外渠坡設(shè)計(jì)邊坡1∶1.5，擋墻頂至校核洪水位（P=1%）以上1.0 m 范圍內(nèi)采用30 cm 厚現(xiàn)澆C25 鋼筋混凝土襯砌，再以上護(hù)坡采用混凝土網(wǎng)格梁草皮護(hù)坡，植草綠化[1]。臨河側(cè)擋墻及混凝土護(hù)坡上間、排距1.5 m 梅花形布置?50PVC 排水管，排除渠堤及渠基滲水。

經(jīng)比較，方案一投資較少，但渠堤填筑量較多，斷面寬度大，侵占河道行洪寬度較多，在部分河段不滿足河道行洪要求；方案二重力式砼擋墻斷面體積大，投資高，但可減少侵占河道寬度，有利于河道行洪；方案三介于方案一和方案二之間，相對(duì)方案二投資較省，又可有效減少河道侵占寬度，保證河道行洪安全。

經(jīng)綜合比選，選擇方案三設(shè)計(jì)型式作為動(dòng)力引水渠道臨河側(cè)防護(hù)型式，見圖1。

圖1 動(dòng)力引水渠道臨河側(cè)防護(hù)型式斷面圖

3.2.2 臨河側(cè)擋墻沖刷深度計(jì)算

溝沖刷深度計(jì)算，分別按水流平行岸坡和水流斜沖岸坡兩種情況計(jì)算。水流平行岸坡的沖刷，發(fā)生在兩個(gè)彎道的過渡段或半徑很大的微彎河段，水流斜沖岸坡的沖刷發(fā)生在彎道的凹岸，沖刷一般較嚴(yán)重。依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）[2]中堤岸沖刷深度計(jì)算公式，對(duì)動(dòng)力引水渠段均按設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行沖刷深度計(jì)算。

平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式如下：

式中：hS為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；UC為泥沙的啟動(dòng)流速，m/s，粘性與沙質(zhì)河床采用張瑞瑾公式計(jì)算，卵石河床采用長(zhǎng)江科學(xué)院公式計(jì)算；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n＝1/4～1/6。

長(zhǎng)江科學(xué)院公式：

式中：d50為河床的中值粒徑，m；H0為行進(jìn)水流水深，m；rs，r 分別為泥沙與水的重度，kN/m3；g 為重力加速度，m/s2。

Ucp的計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

式中：U 為行近流速，m/s；η 為水流流速分配不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α 角查表（見表1）采用。

表1 水流流速不均勻系數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)水位與堤坡的關(guān)系、洪峰流速及河床質(zhì)等因素最終確定各段堤防的沖刷深度。經(jīng)計(jì)算，動(dòng)力引水渠段堤防堤腳沖深在2.09 m～2.47 m 之間，考慮安全埋深，基礎(chǔ)埋深取3.0 m[3]。

3.2.3 梯形渠擋墻抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

（1）計(jì)算條件及相關(guān)參數(shù)：

夯填砂礫石內(nèi)摩擦角28°，飽和摩擦角26°，夯填砂礫石計(jì)算天然容重γ 為21 kN/m3，拋填塊石容重18 kN/m3。擋墻后受渠堤填土及渠道中水流，恒載左右，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可將擋墻頂以上填土及渠道中水重看作是作用在擋墻墻后填土表面的連續(xù)均布荷載q，可將q 折算為填土高度。

（2）沿墻基面的抗滑穩(wěn)定分析

計(jì)算公式：

式中：∑W 為接觸面以上的總鉛直力；∑P 為接觸面以上的總水平力；U 為作用在接觸面上的揚(yáng)壓力；f 為接觸面間的摩擦系數(shù)f=0.5。

渠堤填土荷載q：q渠=（53.33+7.5×0.8×0.4）×25/11.5=121.15 kN/m2；

渠道中水重荷載q：q水=（8.66×7.5）×10/11.5=56.48 kN/m2；

將q 折算為填土高度：ho渠水=（q渠+q水）/γ=8.88 m（荷載折算填土高度）。

（3）梯形渠擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算見表2。

表2 梯形渠擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

故∑W-U=1240.98 kN、∑P=536.38 kN、My=6980.44 kN·m、Mo=3244.43 kN·m。偏心距e=1.49 m＜B/6=9.0/6=1.50 m，滿足要求；σ后=274.8 MPa＜400 MPa、σ前=0.97 MPa＜400 MPa，滿足要求。

抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)K0=2.15＞[K0]=1.2～1.3，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.16＞[K]=1.05，滿足要求。

4 結(jié)語

錦屏水電站填方動(dòng)力引水渠道臨河側(cè)渠堤穩(wěn)定，對(duì)工程效益的發(fā)揮具有非常重要的影響。在設(shè)計(jì)及施工過程中，考慮到渠堤穩(wěn)定及河道行洪寬度要求，選擇混凝土重力式擋墻護(hù)腳，擋墻頂至校核洪水位以上1.0 m 范圍內(nèi)，采用現(xiàn)澆C25 鋼筋混凝土襯砌，擋墻頂至校核洪水位1.0 m 以外范圍護(hù)坡，采用混凝土網(wǎng)格梁草皮護(hù)坡，植草綠化，既保證了工程的安全運(yùn)行，又考慮了景觀效果，可為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。