喀麥隆曼維萊水電站輸水明渠襯砌方案優化設計

李 淼 包第嘯 郭 強 薛立宇

喀麥隆曼維萊水電站輸水明渠襯砌方案優化設計

李 淼 包第嘯 郭 強 薛立宇

通過詳細地分析計算得出渠道計算斷面最大滲漏量為2.8×10-5m3/(s·m)，全線滲漏量很小，因此，決定將渠道過水全斷面由不透水襯砌調整為透水襯砌，即在混凝土襯砌的渠道邊坡和底板上設置系統排水孔，以便于渠道水位驟降時迅速降低混凝土襯砌下的水壓力，同時保留了混凝土襯砌板底部的反濾排水料、增設了反濾土工布。另外，結合工程所在地區氣候溫和的特點，優化了輸水明渠混凝土板的施工分縫，在此基礎上將原鋼筋混凝土襯砌板優化調整為素混凝土襯砌板，加快了施工進度，該方案的優越性在項目實施過程中已經得到了充分體現。

輸水明渠 混凝土襯砌 施工分縫 優化

曼維萊水電站工程水庫總庫容為1.3億m3，電站裝機4臺，單機容量52.75 MW，總裝機容量211 MW。工程主要建筑物由首部擋水和泄水建筑物以及位于工程區左岸的引水發電系統建筑物等組成。

引水發電系統采用輸水明渠引水、半地下式廠房加長尾水隧洞方案，主要由渠道進水口、輸水明渠、天然前池、二道壩、電站進水口、壓力管道、半地下式發電廠房、尾水管及尾水閘門井、尾水調壓室(洞)以及尾水隧洞等建筑物組成。

1 設計方案比選

在項目前期可研階段及合同文件《曼維萊水電站建設方案技術建議書》中，渠道襯砌采取不透水襯砌型式，即過水斷面全斷面采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌板之間的永久伸縮縫設置止水帶，襯砌板下部設置30 cm厚的反濾透水層，渠坡兩側坡腳透水層內設置兩根沿渠線方向的Φ300 mm的排水管，在渠堤兩側每隔一定的距離布置集水井并設置水泵進行抽水，以降低渠堤內的地下水，確保渠坡及混凝土襯砌板的穩定，該方案是國外渠道襯砌排水的常規方案。

詳細初步設計階段，根據最新地質勘察成果，發現渠道挖方段渠坡、渠底所涉及的土層——殘積土層、強風化層、弱風化層，滲透系數均小于10-4cm/s；渠道填方段采用的基礎換填土和堤身土壓實后的滲透系數亦都小于10-4cm/s，輸水明渠渠身、渠底土體、巖體滲透性都較弱。通過詳細的分析計算得出渠道計算斷面最大滲漏量為2.8×10-5m3/(s·m)，全線滲漏量很小，因此，決定將渠道過水全斷面由不透水襯砌調整為透水襯砌，即在混凝土襯砌的渠道邊坡和底板上設置系統排水孔，以便于渠道水位驟降時迅速降低混凝土襯砌下的水壓力，避免混凝土襯砌被地下水頂托破壞，同時保留了混凝土襯砌板底部的反濾排水料、增設了反濾土工布。通過嚴謹的計算分析打消了法國科恩公司的咨詢工程師對系統排水管被淤堵以及渠道滲漏損失水量大的疑慮，最終同意渠道排水方案的調整。

另外，輸水明渠襯砌混凝土板合同中確定的是鋼筋混凝土板襯砌，結合工程所在地區氣候溫和的特點，同時優化了混凝土板的施工分縫，除了垂直水流向每隔4 m設置永久伸縮縫外，順水流向則每隔4 m及時對混凝土板進行人工切割半縫，在此基礎上將原鋼筋混凝土襯砌板優化調整為素混凝土襯砌板，節約鋼筋約1 200 t。

2 輸水明渠斷面設計

本工程輸水明渠為大型渠道，渠道設計斷面尺寸確定首先要滿足渠道的過流能力和不沖不淤的要求，在此前提下還要便于機械化施工和運行維修管理。綜合考慮渠道沿線地質條件、運行條件及工程施工條件等因素，本項目采用梯形明渠斷面。梯形斷面具有施工方便、技術成熟、邊坡穩定、運行管理和維修方便以及對地形、地質無特殊要求的有利因素。

根據地質條件，將渠道分為土方、石方兩種類型段。最終確定的土、石方渠道斷面為梯形，底寬分別為15.0 m和25.0 m，渠道深度均為9.0 m，過水內邊坡分別為1∶2和1∶0.5，填方段外邊坡1∶2；挖方段渠堤堤頂以上土質邊坡為V∶H=1∶1.25、風化巖石邊坡為V∶H=1∶0.75，每8～10 m設一級馬道，馬道寬度為3.0 m；渠道堤頂寬度按運行管理通車要求，兩側渠頂寬度均為7.0 m。不同斷面尺寸渠段之間通過過渡段平順連接。

輸水明渠沿線全填、半挖半填以及全挖3種渠道典型斷面分別見圖1～3。渠道縱坡為1/4 000，渠道進口0+000.000樁號處的渠底高程為386.0 m。

圖1 全填方渠段渠道典型斷面示意圖

圖2 半挖半填方渠段渠道典型斷面示意圖

圖3 全挖方渠段渠道典型斷面示意圖

3 渠道非過水斷面邊坡防護

3.1 全挖方渠段

渠堤堤頂以上土質邊坡坡度為V∶H=1∶1.5，采用三維植被網進行防護。

渠堤堤頂以上風化巖石邊坡坡度為V∶H=1∶0.75，根據邊坡巖石條件及邊坡高度情況視實際需要采用隨機噴錨支護形式，噴素混凝土厚度8 cm，錨桿Φ20 mm@1.5 m，錨桿長度為1.5 m。

渠堤堤頂外側沿渠線方向布設1道縱向排水溝，排水溝尺寸為1.0 m×0.6 m(寬×高)。兩側邊坡頂部各布設截水溝。

3.2 全填方及半挖半填方渠段

全填方及半挖半填方渠段基本是沿丘陵間的谷底布設，且在水庫蓄水之后(水庫正常蓄水位為392.0 m)大部分溝谷低處將成為水庫的一部分。因此，該段渠道左側填方渠堤(渠堤堤頂高程約為395.0 m)在水庫蓄水之后將會直接擋水，溝谷低處的右側填方渠堤也會因雨水聚集而直接擋水，對渠堤運行安全不利。結合施工總布置，設計考慮將全填方及半挖半填方渠段兩側渠堤以外至少20～50 m范圍內的溝谷作為永久棄渣場地，棄渣場頂高程與相鄰渠頂同高。

4 輸水明渠襯砌設計

渠道滲漏量計算假定如下：

(1)全挖方段渠段，渠水補給兩岸地下水；

(2)全填方渠段和半挖半填方渠段，左岸庫水和渠水補給右岸地下水；

(3)采用樁號HC 0+186.83處斷面滲流量計算成果代表全填方渠段和半挖半填方渠段；

(4)采用樁號HC 2+475.81處斷面滲流量計算成果代表全挖方渠段。

根據滲流穩定計算成果，全填方渠段和半挖半填方渠段斷面通過渠道右堤的滲流量為2.84×10-5m3/(s·m)；全挖方渠段斷面通過渠道左堤和右堤的滲流量分別為7.56×10-6m3/(s·m)和8.08×10-6m3/(s·m)。全挖方渠段1 530 m，全填方渠段和半挖半填方渠段為1 620 m。

渠道全線滲漏流量約為0.07 m3/s，與輸水明渠的設計引用流量450 m3/s相比可以忽略不計，故渠道采用透水襯砌，襯砌主要作用為減少渠道糙率，降低發電水頭損失，無防滲和結構限裂要求。根據本工程情況，采用分縫間不設止水并設置系統排水孔的透水襯砌設計，既能避免渠水大量外滲影響發電效益，又能保證渠道在水位驟降情況下，襯砌下的地下水能及時排水，避免襯砌隆起破壞。

土方渠道過水全斷面采用現澆素混凝土板襯砌。渠道底板及邊坡的襯砌厚度均為15 cm，混凝土板襯砌下部依次鋪設土工布、20 cm厚的碎石墊層和反濾土工布；碎石墊層用于收集渠道滲水，反濾土工布用于保護碎石墊層下的堤身、堤基土。渠坡及渠底襯砌混凝土板上預留直徑100 mm、間距2.0 m的UPVC排水孔，排水管深入碎石墊層10 cm，管口采用反濾土工布包裹。渠道襯砌混凝土縱向每20 m設置1道永久縫，縫寬20 mm，縫內填充閉孔泡沫板。邊坡設置3道順水流向誘導縫，采用切縫機切縫，縫深7.5 cm。土方渠段襯砌設計見圖4。

圖4 土方渠段襯砌設計

石方渠道過水全斷面同樣采用現澆素混凝土板襯砌。渠道底板混凝土襯砌混凝土板下部鋪設10 cm厚水泥砂漿找平層，渠底及邊坡的實際襯砌厚度15 cm；渠坡及渠底襯砌混凝土板及巖石內布設直徑100 mm、間距2.0 m的排水孔，排水孔入巖深度為0.5 m，孔內安裝UPVC花管，反濾土工布包裹。渠道襯砌混凝土縱向每20 m設置1道永久縫，縫寬20 mm，縫內填充閉孔泡沫板。邊坡設置3道順水流向誘導縫，采用切縫機切縫，縫深7.5 cm。石方渠段襯砌設計見圖5。

圖5 石方渠段襯砌設計示意圖

5 結 語

上述優化方案的最終成功實施，為渠道襯砌施工采用渠道襯砌機提供了可能，大大降低了施工難度、節約了工程投資，也加快了施工進度，節約了工期，該方案的優越性在項目實施過程中已經得到了充分體現。

TV672

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1007-6980(2017)03-0041-03

李 淼 女 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

包第嘯 男 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

郭 強 男 高級工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

薛立宇 男 助理工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

2017-07-05)