淺談孤山航電樞紐一期全年圍堰經常性排水施工技術

王秀紅

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710038)

1 概述

孤山航電樞紐位于漢江干流夾河～丹江口樞紐回水末端河段內，上距白河水電站壩址35 km，下距丹江口樞紐壩址179 km，主要任務以發(fā)電、航運為主。水庫正常蓄水位177.23 m，正常蓄水位以下庫容1.09億m3，水庫總庫容2.12億m3，電站裝機容量為180 MW(4×45 MW)，多年平均發(fā)電量5.90億kW·h，規(guī)劃航道等級為Ⅳ級。

為一期基坑開挖和廠房混凝土澆筑創(chuàng)造干地施工條件，結合漢江流域年徑流特征及樞紐壩址區(qū)域水文氣象條件，規(guī)劃制定采用高水高排、低水低排的經常性基坑排水措施。

2 水文氣象

2.1 水文條件

孤山航電樞紐位于安康水電站下游，壩址徑流由兩部分組成，一是安康電站水庫下泄徑流，二是安康～孤山兩壩址區(qū)間產生的徑流。根據(jù)常年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，孤山壩址天然多年平均徑流量為247億m3，平均流量為783 m3/s，年徑流深為409 mm。其徑流年內、年際變化類似，樞紐壩址區(qū)域5月～10月汛期的徑流量為196億m3，占全年徑流量的79.4%，7月～9月126億m3，占年徑流量的51.0%，而11月～4月的徑流量為50.2億m3，僅占年水量的20.3%，見表1。樞紐壩址以上集水面積60440 km2，P(10%)=21500 m3/s，見表2。

表1 孤山壩址多年平均天然徑流年內分配表

表2 樞紐壩址設計洪水成果表 單位：流量，m3/s；洪量，億m3

2.2 氣象條件

漢江上游多年平均年雨量在700 mm～1800 mm之間，其分布由上游往下游，由南往北逐漸減少。壩址多年平均年降水量僅768 mm。據(jù)統(tǒng)計5月～10月降水量占全年降水的78.3%，其中7月～9月降水最為集中，約占全年降水的47.9%，7月～9月平均降雨量為123 mm，最大日降水量為160 mm。12月～1月降水量僅占全年降水的2.41%。

3 排水總體規(guī)劃

孤山航電樞紐導流采用分期導流的方式進行，一期采用左側原河床過水，進行右岸廠房施工。一期導流圍堰布置左側與縱向混凝土圍堰相接，右側與岸坡相接，上游圍堰軸線長度365.0 m，頂部高程181.7 m，下游圍堰軸線長度311.0 m，頂部高程179.0 m。圍堰頂寬均為8 m，迎水面坡比均為1∶2，背水面坡比均為1∶1.75。迎水側采用50 cm厚塊石護坡防護。圍堰堰基防滲采用高噴墻和帷幕灌漿，堰體采用復合土工膜防滲。

防洪標準采用10 a一遇洪水流量，相應的洪水流量為21500 m3/s，堰前達到的最高洪水位分別為上游迎水面水位為180.26 m，下游迎水面水位為177.0 m。一期全年圍堰經常性基坑排水充分利用汛期前河道水位低，汛期河道水位升高等季節(jié)性徑流特點，采用高水高排、低水低排工法布設兩道排水管進行抽排水，確保安全度汛要求[1]。

河道設計原理是水位在EL168.0 m以下時，利用EL168.0處低水位排水管進行抽排水，布設離心泵間歇性運行進行排水。汛期河道水位高于EL168.0時利用EL175.0處高水位排水管進行排水，布設離心泵進行不定期全天排水。同時，關閉EL168.0處排水管管道閘閥，防止河水倒灌。

4 經常性排水強度計算

4.1 汛期降水量

依據(jù)水文和氣象資料，圍堰經常性排水期間計算一期基坑日匯水體積為650 m3(基坑匯水面積取9.6萬m2)，按1天排完，遭遇設計降雨時基坑降雨排水強度約900 m3/h。

4.2 一期全年圍堰滲流量計算

圍堰滲流計算分為堰體、圍堰帷幕、堰基三個部分進行滲流計算，堰體為土工膜心墻防滲，相對滲水量很小。其次，將三部分滲流計算的滲流量累加，既為該圍堰的總滲流量。另外，圍堰帷幕和堰體滲水量相對圍堰基部滲流影響較小，在圍堰基部滲流計算后取系數(shù)進行補償。

依據(jù)達西定理計算滲流量的方法和以取定的相關參數(shù)，高噴灌漿滲流量：q=k×i×A，本項目相對圍堰基部滲流影響很小，在圍堰基部滲流計算后取系數(shù)進行補償。

依據(jù)《水利水電施工手冊第五卷施工導(截)流與度汛工程》圍堰地基滲水量計算表，根據(jù)單層透水地基的滲流計算公式：

式中：(H1-H2)為圍堰內外水頭差，堰外漢江水位取10 a一遇洪水水面最高程為180.26 m，底板高程按基坑最低高程125.8 m計，故圍堰內外水位差為54.46 m；T為防滲墻底到不透水巖層的距離，根據(jù)地質資料描述，防滲墻底到不透水層平均厚度為20 m左右；K1為堰基的滲透系數(shù)，K1<10 Lu=8.64×10-2m/d；l為圍堰滲徑，取105.00 m。n為系數(shù)，可根據(jù)L/T的比值為4.75，查得取1.17[2]。

計算得單寬滲流量q<0.766 m2/d，上下游圍堰軸線總長度為676.1 m；基坑計算滲水量Q<21.58 m3/h。

得出的總滲流量較實際情況可能會略為偏小，考慮防滲墻滲漏量等，將計算值乘以系數(shù)1.5，則滲水量Q=32.4 m3/h。

4.3 基坑滲流量計算

通過對基坑內滲水量每日監(jiān)測，目前上游堰前水位EL164.8 m，基坑滲流量在700 m3/h～800 m3/h，同時進行滲流量與堰前水位變化關系研究，依據(jù)達西定律反算出圍堰遭遇10 a一遇洪水，即水位達到EL180.3 m，漢江流量達到21500 m3/s時，基坑滲流量將達到2967 m3/h。

綜上所述，基坑最大排水量為：2967+32.4+900=3900 m3/h，其中，上游圍堰堰內排水占總排水量的55%。

5 主要施工方法和施工工藝

5.1 主要施工方法

5.1.1 水泵坑布置

上游圍堰堰內共布置3個泵坑，為一主兩輔的布置形式。其中，主泵坑設計深度2 m～3 m，長34 m，寬15 m，容量1300 m3；泵坑底高程EL143.0 m～EL144.0 m。布置4臺12吋泵(單臺790 m3/h，揚程32 m，功率90 kW)，水泵揚程可滿足穿圍堰EL175.0 m排水，2臺12吋泵，揚程可滿足過圍堰EL181.7 m排水。

其余兩個水泵為輔助泵坑，其揚程可滿足穿圍堰EL175.0 m排水。啟動應急措施，采用主輔泵坑接力聯(lián)動抽排水作業(yè)。極端情況下，當汛期水位超過EL175.0 m，直接翻上游圍堰堰頂EL181.7 m，通過DN300PE管排水。

混凝土擋墻為重力式素混凝土擋墻，選用C20混凝土(二級配)進行澆筑，泵坑擋墻斷面為頂寬0.6 m、底寬1.5 m、高2 m，根據(jù)現(xiàn)場砂礫石層穩(wěn)定性情況，坡比為1∶0.2～1∶0.3?；炷翐鯄εc基巖面有效連接，保證泵坑穩(wěn)定，減少二次滲水?；炷翐鯄Φ撞繐鯄ψo腳，采用與擋墻同一級配混凝土，斷面尺寸0.3 m×0.3 m。

5.1.2 管路布置

出水管道采用2根DN400排水鋼管至圍堰外，支管DN300PE管與主管道相接。圍堰迎水側管道根據(jù)實際工作水泵揚程，設置管頭向上排水。具體施工根據(jù)河道水位以及汛期河道水位，泵坑至圍堰內側EL167.0高程布置一根DN400PE管，EL167.0～EL175.0高程沿圍堰內側布置一道DN400鋼管與PE管連接，在EL168 m、EL175 m分別設置兩道DN400鋼管穿圍堰排水；EL168.0、EL175.0兩處處管道水平穿過圍堰，與坡面排水管焊接，距離管道出口1 m位置分別安裝閘閥、逆止閥，見圖1。

圖1 上游圍堰高水高排、低水低排管路布置示意圖

每節(jié)管道長度在6 m～8 m，管道連接均采用法蘭連接。排水管基礎鋪設30 cm厚過渡料，兩側以及頂部回填20 cm過渡料，防止回填料損壞管壁。

5.1.3 排水管過圍堰土工膜特殊工藝施工

在EL168.0、EL175.0布置排水管道時需穿過圍堰土工膜，管道穿土工膜處焊接3 mm止水鋼板，鋼管與土工膜進行法蘭連接。止水板與排水管焊接處焊縫要飽滿，無砂眼。止水板與土工膜采用螺栓進行加固，接縫處采用瀝青等填縫材料進行填充，并在連接處上下各50 cm處設置一道土工膜伸縮節(jié)。伸縮節(jié)大樣見圖2。

圖2 上游圍堰穿土工膜伸縮節(jié)設計布置示意圖

5.2 強度分析

按基坑滲水的排水強度，推算在汛期遭遇設計洪水時，基坑上下游滲水總排水強度將達到3900 m3/h，堰內泵坑總容量為6900 m3，18臺12寸水泵銘牌抽水能力約12960 m3/h，實際出力按30%～40%計算，抽水量約3900 m3/h～5000 m3/h。

布置泵坑總容量6900 m3>排水強度3900 m3，泵坑坑底布置土工布并采用黏土防護，保證泵坑穩(wěn)定，減少基坑內二次滲水。水泵抽排水能力大于排水強度，水泵揚程滿足排水需要，且保證在高水位運行條件下的出力。因此，該水泵布置可滿足汛期基坑滲水量及降水量3900 m3/h的排水強度，能保證基坑汛期排水順利安全。

6 關鍵技術及創(chuàng)新點

關鍵技術及創(chuàng)新點，該技術一方面有效地利用初期排水規(guī)劃排水系統(tǒng)作為經常性排水低水位運行排水系統(tǒng)。同時，初期排水和經常性排水相結合的方式進行設計具有以下的創(chuàng)新點：①采用初期排水和經常性排水相結合同時設計施工，分期實施的方式進行，節(jié)能減排效果顯著。②在抽排水管路設計時，堰內排水管路采用高、低水位排水管共用，采用安裝閥門的方式控制運行狀態(tài)方式確保安全度汛。③采用法蘭和土工材料相結合的方式確保排水鋼管穿越圍堰防滲體，防止產生滲流通道有效保證堰體安全。④采用控制站集中管理和自動抽排水裝在控制的方法進行控制。

7 結語

采用高水高排、低水低排的方法進行基坑抽排水。有效解決了汛期高水位條件下的基坑抽排水任務。同時，充分利用非汛期低水位運行的方法，合理的進行施工總平面布置，一方面節(jié)省抽水材料的用量。另一方面，充分利用氣象預報，流域水文站預報情況及時調整抽水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，節(jié)約用電以達到節(jié)約成本的目的。