沙湾水电站尾水渠设计
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【摘要】:本文简要介绍了沙湾水电站的概况及尾水渠布置和结构，紧接着介绍了尾水渠防渗墙的设计、施工情况。
【关键词】:沙湾水电站 尾水渠设计
中图分类号：TV543
1工程概述
沙湾水电站枢纽工程位于四川省乐山市沙湾区葫芦镇河段，距葫芦镇上游约1.0km，为大渡河干流下游梯级开发中的第一级，枢纽区上游11.5km处为已建的铜街子水电站，其下游为在建的安谷水电站
该工程由左岸非溢流面板坝、闸坝储门槽段、泄洪冲沙闸、发电厂房、厂房储门槽段、尾水渠、右岸接头坝及库区防洪堤等建筑物组成。
电站装机容量480MW，额定水头24.5m，正常蓄水位432.0m，设计引用流量2203.2m3/s，保证出力151MW，年利用小时数5015h，年发电量24.07亿kW•h。水库总库容4867万m3，正常蓄水位以下库容4554万m3。电站采用一级混合开发方式，即建坝壅水高15.5m，与铜街子尾水相衔接，河床式厂房，厂后接长9015m的尾水渠，尾水渠利用落差14.5m。电站发电水头的一半左右需由尾水渠获得。
2.尾水渠布置及结构
尾水渠线路主要沿右侧河床接近岸边走向布置，局部经过河流漫滩、心滩、一、二级阶地等地貌，根据沿渠地面高程，尾水渠开挖深度10～24m，渠道部分基础为基岩，上面为砂卵石覆盖层。尾水渠全长9015.0m，尾水渠出口位于祝湾坝下游约500m河段上。
尾水渠断面为复式梯形断面。尾水渠底宽91m，边坡1:1.6。为方便运行检查，在尾水渠左堤“尾1+700m”以后，以及右堤“尾0+450”以后在距渠底9m高程处设置宽2m的马道。左堤顶宽5m；考虑到堤顶永久交通和防洪要求，右堤顶宽6m。尾水渠左堤堤身采用砂卵石混凝土面板坝结构型式。其左堤的左侧（迎水面）为50cm厚钢筋混凝土面板，在尾0+450～尾1+700之间左堤右侧、渠底板分别以40cm、30cm厚C15钢筋混凝土面板护面。在尾1+700以后左堤右侧采用30cm厚C15砼护面，渠底板分别以15cm（岩石基础）、30cm（砂卵石基础）厚C15砼护面。右堤在尾0+450以后马道以下采用30cm（砂卵石基础）、15cm（岩石基础）厚C15砼护面，马道以上采用M8浆砌卵石护坡，渠内在正常水位以上2m开始向下设排水孔（包括渠道底板），间、排距3×3m，孔径10cm。砂卵石基础部分排水孔下设50cm反滤层。
尾水渠上段距离冲沙闸较近，属水流强顶冲段，在天然情况下尾水渠渐变段后的最大冲深约4.29m，
设计时考虑到强顶冲段的特殊性和已建工程长尾水渠在运行中的经验，为满足在各种流量情况下的抗冲要求，尾水渠左堤趾板（厚1.2m）建基面高程设计时均放在最大冲刷深度以下并留适当安全裕度（从河床疏浚后的河床面起算）。同时，为了安全起见，对尾水渠左堤趾板顶高程与疏浚后的河床面之间开挖垭口范围用较粗颗粒卵石回填处理。考虑到对水流流态的改善，将厂下重力式左堤与下游尾水渠左堤之间采用扭面衔接。
尾水渠以电站厂房尾水管出口反坡段末端作为尾水渠桩号“尾0+000点”（即“坝0+166.5m”），渠底板高程398.23m，比降1/8000。在尾0+000.00～0+450.00m范围内为尾水渠渐变段，渐变段采用衡重式混凝土挡墙结构与下游面板式砂卵（砾）石堤身以扭面形式衔接；尾水渠左堤末端洪水顶冲段，采用钢筋混凝土护坡式裹头保护，尾水渠出口段渠底以1:308.93的反坡与下游天然河道地面高程（400.01m）相衔接，反坡段长865.0m，出口处渠底最大宽度170m。相对于发电流量2203.2m3/s，尾水渠出口处河床水位405.28m。
尾水渠左堤溢流段（尾1+000.0～1+700.0m），根据电站以及水库运行调度要求，尾水渠在天然来水流量大于5000m3/s时参与河道行洪，溢流段的位置、长度、顶高程由模型试验按修建工程后，河床各频率洪水位均不高于天然情况30cm为原则确定，溢流段（尾1+000.0～1+700.0m）堤顶高程为418.93m～417.97m；左堤尾1+000上段堤顶高程以校核洪水流量下洪水不翻堤加适当安全加高确定；其余段堤顶高程以100年一遇洪水位确定。
电站正常发电引用流量Ｑ＝2203.2m3/s，尾水渠正常水深8.12m，流速2.64m/s；电站最小发电引用流量Ｑ＝550.8m3/s，尾水渠最小水深5.31m，流速0.95m/s，满足不冲不淤流速要求。
3 尾水渠左堤防渗设计
尾水渠桩号尾0+000～3+200m段，长3200m。该段左堤堤线经过河床、漫滩及Ⅰ级阶地等地貌单元，地面高程407.8～420.5m，段内地形平坦，地表除在Ⅰ级阶地表层有厚0～1.8m的粉土层分布外，其余均为第四系全新统现代河流冲积堆积层（Q42al）所覆盖，覆盖层厚度在桩号0+000～1+381段为15.0～57.5m；1+381～1+622段为13.0～16.2m；1+622～2+765段为6.2～15.0m；2+765～3+350段为15.0～19.4m。物质组成在桩号0+000～0+775和1+229.3～1+622段上部为漂卵砾石夹砂，厚6.0～13.5m，下部为砾卵石夹砂，其余地段以砾卵石夹砂为主，层中在桩号1+350～1+925段夹厚0.5～1.2m砂层透镜体，分布高程为406.0～411.7m，砂层主要为中细砂。本段渠堤下伏基岩为T2l、T1j之岩溶角砾岩、泥质灰岩、泥质白云岩及白云岩等。岩体强、弱风化带厚度分别为5～7.5m、7～15.5m，强风化带内岩石强度较低，裂隙较发育，完整性较差，在桩号2+032～3+004段，岩溶角砾岩和泥质灰岩及部份白云岩岩体中岩溶较为发育，溶蚀小孔和晶洞随处可见，局部呈蜂窝状溶蚀，溶孔直径0.5～2.0cm，据钻孔压水成果资料，岩体透水率为14.3～202.1Lu，为中等～强透水层。尾水渠Ⅰ标段施工时采用全年导流方案，防渗深度从左堤施工平台起算又增加了6～8m，覆盖层最深达65.5m。根据现场地质条件和高压旋喷灌浆试验情况，经综合考虑，尾水渠Ⅰ标段左堤防渗型式采用80cm厚的塑性混凝土防渗墙，塑性混凝土防渗墙深入岩溶角砾岩下部的泥质白云岩1～1.5m。
在尾水渠桩号“尾0+485.765～尾0+511.765m”间（长25m），由于坝下施工临时桥在该处横跨尾水渠，桥下尾水渠左堤基础防渗施工场地狭窄，有效施工高度仅5m左右，塑性砼防渗墙施工无法进行，经研究该段将塑性砼防渗墙改为三排帷幕灌浆代替（间距1.0m，排距1.0m）。
尾3+200～尾9+015m”段，尾水渠中心线长度5815m。防渗线为左堤堤身轴线位置，左堤堤身及沙卵石基础采用40cm厚的塑性砼防渗薄墙，左堤外侧面板设排水及反滤要求。
塑性防渗墙墙体相关技术要求为：成墙厚度0.8/0.4m，墙体28天抗压强度不小于5MPa，抗折强度不小于1.5MPa，弹性模量≤1500MPa，抗渗标号W8，渗透系数k≤i×10-7cm/s，允许渗透坡降不小于80，墙体拉应力控制标准为0.2～0.3MPa。
4 防渗墙应力应变及左堤边坡稳定计算分析
本次计算采用Duncan-Chang双曲线本构模型。选择两个典型横剖面（尾3+400.00和尾4+200.00）作为有限元计算分析对象（见图4-1、4-2）。
根据提供的地质资料，防渗墙、围堰及堰基地基各层材料物理力学参数建议值见表4-7-5。
尾水渠计算参数表
表4-7-5
图4-1尾3+400.00剖面地质图
图4-2尾4+200.00剖面地质图
泥皮单元采用滑移面单元：
Kn=8.33×105；Ks=1400
计算时，不考虑堰体沙浆垫层和面层的作用，暂做安全富裕度。
计算时按以下两种工况考虑。施工工况：施工期间，尾3+400.00剖面围堰外侧水面高程为417.611m，尾4+200.00剖面围堰外侧水面高程为416.625m，施工期左堤内外水头差最大，为控制工况。两剖面渠内水位均为各级开挖高程。运行工况：正常运行工况下，两剖面尾水渠外侧水位选取与河床地面高程齐平，其中3+400.00剖面外侧水位为414.00m，4+200.00剖面外侧水位为412.5m；两剖面内侧水位取正常尾水位，其中3+400.00剖面内侧水位为405.858m，4+200.00剖面内侧水位为405.764m。
尾水渠工程施工顺序为：
（1）左堤处河床疏浚开挖；
（2）左堤堤身分层填筑至堤顶（为了在堤顶便于防渗墙的施工，左堤顶宽向渠内侧加宽7m，左堤顶施工期总宽为12m，渠内坡1:1.5；
（3）进行左堤外侧的趾板面板施工并完成（在汛前完成便于渡汛防冲需要）；
（4）在堤顶进行防渗墙施工并完成（在汛期施工）；
（5）尾水渠基坑分层开挖至设计高程（伴随降水过程）。为了在堤顶便于防渗墙的施工，左堤顶宽临时向渠内侧加宽的7m随基坑挖出；
（6）渠内面板施工，尾水渠施工完成。
按照要求，有限元分析中两个计算剖面基坑均分为五级开挖，尾3+400.00剖面分层开挖示意见图4-3；尾4+200.00剖面分层开挖见示意见图4-4。
基坑的开挖效应一方面体现在开挖岩块的刚度消失，另一方面将解除开挖岩块对岩体的变形约束，致使基坑岩体产生附加位移场和附加应力场，首先由初始地应力场确定第一级开挖边界上的初始应力{σ0}，然后去掉第一级开挖岩体，将{σ0}中法向正应力及切向剪应力反向施加于开挖边界。
工程岩土体在上述开挖过程中，只要确定了岩土体开挖单元范围和开挖面边界，开挖边界上的等效释放荷载、附加位移场和应力场，在目前的有限元计算中通常可以自动实现。
由上述可知，根据尾水渠工程施工顺序，有限元计算模拟过程概化为：
1）首先进行原始地形条件下初始地应力计算，获得计算域的天然应力场；
2）进行河床疏浚开挖，得到开挖后的重新分布的应力场；
3）进行堰体及后部施工场地的回填，得到新的应力场；
4）进行塑性砼防渗墙的施工，计算时假定防渗墙的一次施工完成；
5）进行第一～第五级分级基坑开挖。
有限元计算网格如图4-5、4-6所示。
图4-3尾3+400.00剖面尾水渠分级开挖示意图
图4-4尾4+200.00剖面尾水渠分级开挖示意图
图4-5尾3+400.00m剖面有限元计算模型
图4-6尾4+200.00m剖面有限元计算模型
防渗墙应力与变形计算特征值见表4-7-6，其中最大拉应力为-0.133MPa，小于防渗墙混凝土抗拉强度；最大压应力量值仅0.70MPa，远小于设计允许值。尾4+200.00剖面较尾3+400.00剖面的压应力有所加大，这主要是因为尾4+200.00剖面的防渗墙深度较深所致。
由防渗墙的变形可以看出，两剖面的最大变形为3.62cm，其中尾4+200.00剖面较尾3+400剖面防渗墙的变形大，这主要因为尾4+200.00剖面防渗墙相对较深所致。
防渗墙应力与变形计算特征值
表4-7-6
左堤边坡稳定计算分析情况如下：
施工工况下，两条剖面均存在安全系数小于1.0的局部滑移面，安全系数1.0对应的最大滑移面均出现在第五级开挖，其中3+400.00剖面最大滑移面深度约0.6m，4+200.00断面最大滑移面深度约0.5m；按照安全系数1.15规范控制标准，对应的最大滑移面深度均为1.25m，反映出边坡存在局部失稳的可能性，需要进行加固处理；运行工况下，考虑尾水渠衬砌材料C值情况，最危险滑移面对应的安全系数分别为3.038和2.898，远大于规范要求的运行期边坡抗滑稳定系数1.2的控制控制标准；若不计尾水渠衬砌材料C值情况，最危险滑移面对应的最小安全安全系数分别降至1.195和1.152，略小于规范要求的运行期边坡抗滑稳定系数1.2的控制标准，从客观情况来看，设计方案尾水渠要求采用现浇混凝土衬砌，其C值是客观存在的。因此，运行期尾水渠的衬砌结构和边坡是安全的。
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