江西信江航電樞紐工程圍堰防滲及降排水研究

范海亮，陳富

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

為了給航電樞紐的主體結(jié)構(gòu)施工提供干作業(yè)條件，需要在河流內(nèi)修筑圍堰并將圍堰內(nèi)的水排出。圍堰內(nèi)防滲結(jié)構(gòu)和降排水設(shè)計(jì)和施工關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的工期和安全[1-3]。本文從圍堰防滲結(jié)構(gòu)、滲水量計(jì)算、降排水設(shè)計(jì)等方面對(duì)水利工程的圍堰施工的有益經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

1 圍堰防滲結(jié)構(gòu)

江西信江八字嘴航電樞紐工程位于江西省信江下游。信江在八字嘴河心島分為東大河和西大河，兩者的分流比為3:7，本航電樞紐BW1 標(biāo)段主要包括在東大河修建電站廠房、船閘和12 孔泄水閘。本工程采用枯期圍堰，總工期包括兩個(gè)枯水期和兩個(gè)汛期。在枯水期修建圍堰，然后將圍堰內(nèi)水排出進(jìn)行施工，汛期到來(lái)前將圍堰拆至+12.0 m 標(biāo)高行洪，二枯期開(kāi)始前將圍堰恢復(fù)繼續(xù)施工。本工程的導(dǎo)截流主要包括在河心島開(kāi)挖導(dǎo)流明渠，并在東大河修筑上下游圍堰，然后與河心島上的縱向圍堰和右岸堤防形成閉合圍堰，圍堰總長(zhǎng)3 792 m，圍堰內(nèi)總面積約69.7 萬(wàn)m2，見(jiàn)圖1。

圖1 圍堰布置圖Fig.1 Cofferdam layout

根據(jù)勘察報(bào)告，河心島場(chǎng)地較平坦，標(biāo)高為+20.0 m 左右，下伏中風(fēng)化基巖頂標(biāo)高約-2.0 m。東大河河床由于沖刷或者采砂作業(yè)形成局部深槽，最低標(biāo)高約+2.0 m。該場(chǎng)地覆蓋層厚約16 m，其下基巖為千枚巖、千枚狀細(xì)砂巖。河心島土層自上而下分別為：粉質(zhì)黏土，可塑狀，厚1～1.8 m；中細(xì)砂、中粗砂，松散狀，厚4～9.3 m，標(biāo)貫擊數(shù)5～6 擊；砂卵礫石，稍密～密實(shí)狀，厚5.4～7.7 m，N63.5=6～40 擊；全風(fēng)化巖厚1.5～4.5 m，強(qiáng)風(fēng)化巖厚2.9～4.3 m，中風(fēng)化頂板埋深18.8～25 m，相應(yīng)高程-6～-2 m[4]。

圍堰內(nèi)防滲結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)采用塑性混凝土墻，施工前期現(xiàn)場(chǎng)不具備建設(shè)塑性混凝土拌合系統(tǒng)的條件，為了節(jié)省工期，防滲結(jié)構(gòu)變更為高壓旋噴樁。高壓旋噴樁防滲墻在國(guó)內(nèi)水利水電和航電樞紐工程中運(yùn)用廣泛，技術(shù)比較成熟，具有造價(jià)低、施工快、適應(yīng)土層范圍廣的優(yōu)點(diǎn)[5]。此外，原設(shè)計(jì)中戧堤以上堰體全斷面采用均質(zhì)黏土填筑，與戧堤內(nèi)的防滲墻形成封閉的防滲體系。由于心墻的黏土用量大，為降低征地難度，保護(hù)耕地，將黏土心墻變更為復(fù)合土工膜心墻。因此圍堰防滲體系最終采用復(fù)合土工膜（斜）心墻+高噴防滲墻的防滲體系。

圍堰的施工方案為戧堤采用砂卵礫石水上拋填，戧堤合龍后陸上填筑快速填筑到+17.0 m 標(biāo)高，然后在此標(biāo)高進(jìn)行高壓旋噴樁防滲墻施工。高壓旋噴樁施工完成后清理樁頭，采用蓋帽混凝土將高壓旋噴樁和復(fù)合土工膜連接。然后采用中粗砂對(duì)堰體進(jìn)行加高加寬，復(fù)合土工膜隨著填筑過(guò)程同步向上鋪設(shè)。圍堰填筑至+23.0 m 標(biāo)高，上下游邊坡分別采用0.8 m 和1.0 m 厚袋裝砂護(hù)坡，其中袋裝砂下鋪設(shè)1 層短纖針刺非織造土工布（規(guī)格300 g/m2），起到排水反濾的效果。上游圍堰典型斷面見(jiàn)圖2。

圖2 上游圍堰典型斷面Fig.2 Typical cross-section of upstream cofferdam

本工程高壓旋噴樁防滲墻采用雙排布置，設(shè)計(jì)樁徑0.8 m，排距0.5 m，每排樁間距為0.6 m，防滲墻底高程按深入基巖1 m 控制。

高壓旋噴樁采用雙管法施工工藝，施工工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高壓旋噴樁施工工藝參數(shù)Table 1 Processparameters ofhigh-pressure jet grouting pile

依據(jù)表1 中的工藝參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)典型施工，現(xiàn)場(chǎng)取芯結(jié)果表明，高壓旋噴樁在砂卵礫石層內(nèi)的樁體質(zhì)量離散性較大，因此為提高砂卵礫石層高壓旋噴樁的施工質(zhì)量，砂卵礫石層的提升速度降為 8～10 cm/min。

2 圍堰內(nèi)降排水計(jì)算

圍堰內(nèi)防滲結(jié)構(gòu)施工完畢形成閉氣后進(jìn)行圍堰內(nèi)降排水，既要保證排水的速率不影響基坑開(kāi)挖施工，也要保證排水過(guò)程中圍堰及邊坡的安全。為了確定所需水泵的數(shù)量，需要對(duì)圍堰內(nèi)排水量進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)DL/T 5719—2015《水電水利工程施工基坑排水技術(shù)規(guī)范》，圍堰內(nèi)降排水分為初期排水和經(jīng)常性排水。初期排水總量按圍堰閉氣后的基坑積水量、滲水量、基坑覆蓋層含水量、降水量等進(jìn)行計(jì)算?；觾?nèi)經(jīng)常性排水量由基坑滲水、施工棄水、降水匯水和基坑覆蓋層中含水量等組成[6-7]。

基坑滲水量與防滲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，復(fù)合土工膜（斜）心墻+高噴防滲墻具有較好的防滲性能，采用巖土滲流分析軟件進(jìn)行滲流計(jì)算，上下游圍堰在正常擋水水位條件下，圍堰背水側(cè)的最大出逸坡降為0.32，小于允許滲透坡降，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。經(jīng)常性排水期間上游圍堰壩體和基礎(chǔ)單寬滲流量為 37.49 m3/（d·m），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3[8]。

圖3 正常擋水條件下上游圍堰滲流流網(wǎng)Fig.3 Seepage flow network of upstream cofferdam under normal water retaining condition

按照《水電水利工程施工基坑排水技術(shù)規(guī)范》[6]要求，初期排水的速率宜控制為0.5～0.8 m/d。按照初始水面標(biāo)高+13.4 m，排水下降速率0.8 m/d，水位降至河床底+5.0 m 所需的工期為11 d。按照11 d 進(jìn)行計(jì)算得到的排水強(qiáng)度為26.1 萬(wàn)m3/d。經(jīng)常性排水的排水強(qiáng)度為9.7 萬(wàn)m3/d。

后續(xù)實(shí)際初期降排水過(guò)程中發(fā)現(xiàn)覆蓋層的含水量由于排出速度較慢，在初期排水時(shí)土層內(nèi)的水短時(shí)間內(nèi)不會(huì)全部滲出，所以在計(jì)算初期排水量時(shí)覆蓋層的給水度可以適當(dāng)取小值。

3 基坑開(kāi)挖與降排水布置

初期排水將圍堰內(nèi)積水排干后進(jìn)行基坑開(kāi)挖，主要包括電站廠房、泄水閘、船閘3 個(gè)基坑，根據(jù)不同的土層設(shè)置不同的開(kāi)挖坡度放坡開(kāi)挖?；咏?jīng)常性排水一方面要滿足基坑開(kāi)挖的需要，另一方面需要降低降排水的施工成本，因此采用集水明排的方式。在基坑分層開(kāi)挖過(guò)程中，為了在開(kāi)挖前將土體內(nèi)的水提前排干，需要先開(kāi)挖深溝，將深溝內(nèi)的水及時(shí)排出，保證將水位降至開(kāi)挖深度以下?；娱_(kāi)挖與排水溝布置見(jiàn)圖4。

圖4 排水溝和集水坑布置Fig.4 Layout of drainage ditch and sump

根據(jù)“兩級(jí)截水，三級(jí)排水”的原則對(duì)排水溝和集水坑進(jìn)行布置?！皟杉?jí)截水”包括坑頂截水和風(fēng)化巖標(biāo)高處截水，通過(guò)在這兩處設(shè)置排水溝防止雨水進(jìn)入基坑區(qū)域，減小基坑內(nèi)排水量。“三級(jí)排水”主要包括基坑底排至風(fēng)化巖頂標(biāo)高的小集水坑、小集水坑排至上下游圍堰大型集水坑、上下游圍堰大型集水坑排至圍堰外側(cè)，見(jiàn)圖5。

圖5 兩級(jí)截水三級(jí)排水示意圖Fig.5 Sketch map for two-level water interception and three-stage drainage

現(xiàn)場(chǎng)采用塑料管直接將基坑內(nèi)的水排到上下游的大型集水坑，也可以采用在現(xiàn)場(chǎng)基坑與上下游圍堰之間增設(shè)二級(jí)子圍堰，利用原河床逐級(jí)排到上下游圍堰處的大型集水坑。施工中發(fā)現(xiàn)由于子埝填筑主要采用了河床內(nèi)的砂卵礫石，滲透系數(shù)較大，在將子埝內(nèi)的水強(qiáng)排至子埝外后，子埝內(nèi)外形成水頭差，因此子埝外的水會(huì)滲流回基坑，影響基坑內(nèi)的降水效果，因此在較大的回流滲水點(diǎn)需要采取塑料布鋪底等防滲措施。

4 水泵選型與布置

《水電水利工程施工基坑排水技術(shù)規(guī)范》[6]推薦使用臥式離心泵或潛水泵，根據(jù)相關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)例，潛水泵和離心泵的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 潛水泵與臥式離心泵對(duì)比Table 2 Comparison of horizontal centrifugal pump and submersible pump

考慮到初期排水和經(jīng)常性排水的工作特點(diǎn)，初期排水采用臥式離心泵和潛水泵相結(jié)合，經(jīng)常性排水全部采用潛水泵。所用的水泵功率和數(shù)量見(jiàn)表3。

表3 水泵選擇Table 3 Pump selection

在降排水的實(shí)際過(guò)程中，為了保證潛水泵始終都能浸沒(méi)在水中，采取現(xiàn)場(chǎng)焊接鋼筋架及浮筒，并將潛水泵固定在鋼筋架與浮筒的下方，有效防止水泵干燒損壞電機(jī)。

在降排水過(guò)程中對(duì)于圍堰變形和滲流情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)4 處較大的滲水點(diǎn)，采取三角量水堰對(duì)圍堰的滲水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各滲水點(diǎn)的滲水量為 250～1 100 m3/d。

由于圍堰滲出的水清澈不渾濁，因此對(duì)于圍堰安全性影響較小，采取了適當(dāng)增加水泵數(shù)量或者開(kāi)啟時(shí)間措施，確保基坑內(nèi)水位不上升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托于江西信江航電樞紐工程，對(duì)圍堰防滲結(jié)構(gòu)、降排水計(jì)算及布置和水泵選型等方面進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

1）復(fù)合土工膜加高噴防滲墻的組合式防滲結(jié)構(gòu)具有較好的施工效率和防滲性能。由于砂卵礫石層高壓旋噴樁施工質(zhì)量離散性較大，需要適當(dāng)增加噴漿時(shí)間。

2） 由于初期排水時(shí)覆蓋層的水排出速度較慢，因此根據(jù)DL/T 5719—2015《水電水利工程施工基坑排水技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行降排水計(jì)算時(shí)，給水度可以適當(dāng)取小值。

3）基坑降排水采用集水明排方式，根據(jù)“兩級(jí)截水，三級(jí)排水”的原則對(duì)排水溝和集水坑進(jìn)行布置。

4）根據(jù)水泵的工作特點(diǎn)，初期排水采用臥式離心泵或潛水泵兩者相結(jié)合的方式，經(jīng)常性排水建議采用潛水泵。