水電站超長尾水渠方案優化調整與施工

李 娟，劉 剛

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024)

1 工程概況

非洲某水電站正常蓄水位庫容109.1×108m3，電站額定水頭92 m，單機額定出力175 MW，且需滿足水庫水位在230 m，發電流量不超過880 m3/s情況下，電站出力至少為700 MW(四臺機滿發)。工程主要建筑物包括碾壓混凝土重力壩與瀝青混凝土心墻堆石壩組合壩、壩后廠房及尾水渠、壩身溢洪道及消力塘、左岸開關站等。壩長2360 m，其中RCC壩壩長1040 m，最大壩高101 m。工程等別為Ⅰ等，工程規模為大(一)型。工程2013年9月正式開工，計劃2021年9月首臺機發電。項目合同類型為EPC合同。

招標設計和合同規定，為提高機組出力，采用加大降低廠房建基面，開挖超長尾水渠的方式設計，以降低尾水位獲得較大的發電凈水頭，達到增加發電量的目的[1]。但同時該要求導致下游尾水河道整治工程量巨大，為充分利用開挖料，開挖料用于堆石壩壩體填筑。

2 方案初擬

經研究計算，尾水位EL.136.62 m，可保證凈水頭不低于92 m同時在水頭損失1.38 m(進水口和壓力鋼管水頭損失計算)情況下保證電站有700MW的出力，正常蓄水位為EL.230.00 m，流量為880 m3/s。

根據實測水面線以下地形和計算分析(采用HEC-RAS*美國陸軍工程兵團水面線計算軟件)，在尾水渠長度約5 km時，廠房出口尾水位可控制在EL.136.62 m以下。據此提出尾水渠改造方案，方案總平面布置見圖1，詳細參數見表1，初步推薦方案1和方案2。兩方案渠長均為5 km，渠寬、起始高程略有不同，但廠房出口尾水位(水頭)均滿足要求，主要區別是布置方式(地形)不同，工程量差異大。

圖1 尾水渠各方案總平面布置圖

表1 尾水渠不同布置方案參數對比匯總表

3 方案優化調整

3.1 原方案1和方案2的優缺點

方案1渠道特點為窄渠65 m，陡邊坡1∶0.25，低底板EL130 m，尾水渠布置在河床內；方案2渠道特點為寬渠90 m，緩邊坡1∶0.75，高底板EL132.5 m；大部分設計斷面為靠近河床，半河床半河岸開挖。

上述兩方案存在的問題：兩方案尾水渠均布置在河床內或半河床半河岸，開挖時河床過水，水面線以下開挖工程量較大，且施工難度大；若尾水渠全部蓄水后開挖，開挖料不能用于堆石壩填筑(填筑需蓄水前完成)，堆石壩料源需回采，增加工程成本。尾水渠全部在蓄水期間完成，工程進度難以保證。

3.2 堆石壩填筑工程量及施工時段、進度強度

堆石壩設計壩殼堆石料共460萬m3(壓實方)。根據總進度安排，計劃2019年1月底完成現場工藝試驗后，開始填筑壩殼料。填筑時段共21個月，蓄水前全部填筑完成。平均填筑強度460萬m3/21=22萬m3/月，高峰填筑28萬m3/月。

3.3 根據堆石壩工程量推算的尾水渠需要開挖量

堆石壩填筑需堆石料460萬m3(壓實方)，考慮尾水渠開挖料可利用料系數0.75和填筑壓實系數1.3(空隙率22%，壓實密度2.07 t)，則需尾水渠水面線以上開挖有用料自然方工程量為460萬m3(壓實方)×0.75-1×1.3-1=472萬m3(自然方)。

3.4 調整方案

經多次計算和對典型布置方案1和2分析，在長度，糙率、底坡等基本參數確定后，廠房出口尾水位變化不大，軸線則可調整。

對比上述兩方案，方案1相對于方案2為窄深渠，清表面積小，開挖后有用料利用率高，故優化方案選擇渠寬65 m；為減少廠房基礎開挖量，尾水渠底板起始高程選擇132 m，同時適當增加渠道縱坡i至1.4‰。同時結合地形，對軸線位置進行調整，將尾水渠中部調出河床至右岸臺地，調整工程量，以滿足堆石壩直接上壩填筑要求。

綜上分析，對尾水渠開挖布置和參數進行試算調整，調整后的方案參數、工程量見對比匯總表(表1)方案3，渠道平面布置見尾水渠各方案總平面布置圖(圖1)中方案3。

優化調整后的方案3，尾水軸線相對更平順，且大部分布置在右岸平緩臺地，水面線以下開挖工程量少，利于施工；窄深渠，有用料利用率高；水面線以上開挖總量滿足堆石壩填筑要求。

4 尾水渠施工(方案3)

4.1 開挖程序

(1)開挖順序：先開挖尾水渠中段(K1+600～K4+200，全部在河床外)部分，然后旱季開挖尾水渠上游段(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，蓄水后進行上游段和下游段剩余常水位以下部分開挖，且由下游末端處向上游開挖。

(2)開挖分層分區：開挖分區寬度30 m～50 m；尾水渠開挖深度10 m～22 m；開挖高度大于15 m時，分2層開挖，分層(梯段)高度8 m～10 m。

(3)開挖總的施工程序：自上而下施工，先覆蓋層，后石方分層開挖。各級開挖邊坡形成之前完成相應高程的地表及生態放流的引排水施工。覆蓋層開挖采用人工配合液壓反鏟、推土機、裝載機清理表面，石方開挖用CM351高風壓鉆機或D7鉆機，采用自上而下分層開挖。邊坡采用預裂爆破成型，施工馬道底部30 cm～50 cm預填柔性墊層一次爆破成型，開挖渣料采用液壓反鏟或裝載機裝碴，自卸汽車運輸出碴。

4.2 道路及渣場布置

尾水渠作業面窄長，右岸河邊布置一條施工主道路，出渣道路提前擴挖，每400 m左右布置一出渣支路與主路連接；道路開挖約8×104m3。

開挖有用料直接上壩；清表、覆蓋層及棄渣(約100萬m3)直接就近拉運至右岸尾水渠棄渣場(尾水渠K1+600～K2+600右側EL160 m臺地)，渣場面積1.6萬m2，堆高8 m。

4.3 常水位水面線以上開挖

2019年2月～2020年10月，開挖尾水渠河床外部分(中段)；2019年11月至2020年6月旱季，開挖尾水渠河床部分的水上部分(上游段和下游段)，此時河道平均流量251 m3/s，根據ADCP實測D斷面流量-水位數據，以及D1斷面水位數據，結合河道地形斷面，流量251 m3/s時，河道各斷面平均流速0.7 m/s～1.2 m/s(河面束窄，險灘、跌坎處取大值)，過水面積320 m2～370 m2；為保證施工安全，旱季流量按300 m3/s取值，過水面積410 m2，由河道地形橫斷面和估算的過水面積推算旱季各斷面常水位，進而推算各斷面可提前(蓄水前)開挖部分。開挖典型斷面[2]見圖2。

圖2 蓄水前水面線以上開挖典型斷面圖(單位：m)

尾水渠水面線以上開挖，沿水流方向逆向進行分段進行施工，分兩層進行，單個爆破塊的寬度為不宜大于30.0 m，根據現場地形情況適當調節，第二層開挖可適當滯后第一層1～2個梯段進行，開挖渣料采用液壓反鏟挖裝，自卸汽車運輸直接上壩。

4.4 蓄水后開挖導水措施(水面以下開挖)

尾水渠水面線以下開挖，順水流方向進行施工，分兩層進行，梯段為10 m～15 m，單個爆破塊的寬度不宜大于50.0 m，施工時先順水流方向抽一個先鋒槽，讓地表水及下泄生態流量順利過流，保證開挖在干地進行，先鋒槽完成后，兩邊同時開挖，開挖渣料采用液壓反鏟挖裝，自卸汽車運輸直接上壩。

(1)河床斷面寬，且較平整時，開挖導水槽[2](見圖3)。生態流量8 m3/s(施工時段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)，過水斷面不小于20 m2。

圖3 蓄水后尾水渠開挖典型斷面圖a(單位：m)

(2)河床斷面有深槽時，利用原河床河槽深槽部位導水(見圖4)，保證剩余過水斷面20 m2即可。

圖4 蓄水后尾水渠開挖典型斷面圖b

4.5 尾水渠開挖時段和開挖強度

開挖時段水面線以上共21個月，平均開挖強度470/21=22.4萬m3/月，高峰強度29萬m3/月。水面線以下開挖在蓄水后進行，開挖工期9～10個月，水面線以下開挖平均強度13萬m3/月，具體開挖進度計劃見表2。調整后的尾水渠方案與堆石壩填筑上壩料強度、時段匹配，滿足進度要求。

表2 尾水渠開挖施工進度計劃

5 實施效果

尾水渠開挖按優化調整后的布置方案實施，2019年1月底堆石壩工藝試驗完成后，尾水渠開挖料正式上壩填筑。截至2020年7月，堆石壩壩體填筑完成90%(見圖5)，尾水渠水上部分開挖與填筑強度、進度匹配，開挖有用料全部用于堆石壩壩體填筑。尾水渠開挖體型良好(見圖6)，已完成部分通過業主驗收。

圖5 堆石壩同期填筑完成

圖6 尾水渠渠道開挖后效果

6 結語

通過對超長尾水渠布置方案比選研究及調整，使尾水渠布置更加合理，水面線以下開挖量減少，開挖與堆石壩填筑強度、進度完全匹配，節約了工程成本。堆石壩填筑按期達到計劃形象，為實現2020年年底蓄水及2021年發電目標奠定了基礎。該長尾水渠布置優化調整過程可為類似項目借鑒。