堆石壩超大基坑施工期水流控制技術(shù)研究

趙 倫

(中國水利水電第十二工程局有限公司，杭州 310004)

1 概 述

1.1 立項(xiàng)背景和目的

兩河口水電站樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流豎井泄洪洞、地下發(fā)電廠房、引水及尾水建筑物等組成。兩河口水電站基坑施工期水流控制與其他工程不同之處在于工程位處中國高海拔；高寒地區(qū)；壩區(qū)河谷狹窄；兩岸分布超高陡邊坡施工群及多條壩區(qū)內(nèi)常年流水的溝壑；河谷復(fù)雜地質(zhì)地形施工條件非常困難，河床覆蓋層按設(shè)計(jì)要求需開挖至河床基巖面，底部基巖面河床呈深“V”型沖刷侵蝕不規(guī)則形體。而此前公司基本未在同類型地區(qū)承建過類似高海拔、高寒、超高邊坡、復(fù)雜河谷地形下進(jìn)行大型基坑抽排系統(tǒng)實(shí)施。

1.2 研究內(nèi)容及目標(biāo)

主要研究在高海拔、超高陡邊坡、狹窄河谷、河床基巖面結(jié)構(gòu)地形復(fù)雜等特點(diǎn)條件下，通過對壩址地區(qū)積雨量及匯水源量的觀察監(jiān)測，制定可靠的基坑截排及抽排綜合方案，保質(zhì)量、保進(jìn)度、安全完成大壩基坑填筑施工任務(wù)。主要包括：

1)參考開工前歷年水文資料并借鑒施工期水文監(jiān)測資料，對壩址地區(qū)汛期積雨面積的積雨量進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確計(jì)算；對壩址區(qū)滲水點(diǎn)進(jìn)行排查及水量監(jiān)測；綜合估算基坑匯水總量[1]。

2)對岸坡滲水部位及溝水采用截排方式處理；大壩基坑根據(jù)匯水量配置相應(yīng)參數(shù)的水泵、管路及管路布設(shè)方式。

3)根據(jù)水量、基坑地形編制適合實(shí)地操作的抽排水設(shè)計(jì)施工方案。

本課題研究兩河口水電站基坑排水合理有效的措施，分析滲水來源，分析排水方案的設(shè)計(jì)與施工，基坑排水與其他施工項(xiàng)目間干擾的解決措施，減少基坑排水難度，降低工程建設(shè)成本，為類似條件下設(shè)計(jì)階段基坑排水提供治水方案設(shè)計(jì)參考。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

1)根據(jù)招標(biāo)文件水文氣象資料查詢，兩河口施工區(qū)歷史降雨量小時(shí)最大16mm，單日最大降雨量為53mm。

2)兩河口水電站填筑壩區(qū)內(nèi)分布有兩條常年流水的溝壑，分別是位于大壩上游的慶大河，最大流量為52.9m3/s；位于大壩下游的阿農(nóng)溝，最大流量為8.72 m3/s。

3)基坑上下游長1.3km，寬度平均30-40m。整個(gè)填筑壩區(qū)(包括上游慶大河及下游阿農(nóng)溝)積雨面積約400多萬m2。

1.4 技術(shù)路線

1)兩岸壩肩地形陡峻，受地形及地質(zhì)條件限制(上下游基坑高，心墻低的基巖凹地形)，壩區(qū)內(nèi)滲水源及溝水分布多，匯水直接進(jìn)入大壩填筑區(qū)影響施工，需編制安全合理的截排水方案。

2)根據(jù)歷史水文資料及實(shí)際監(jiān)測水文資料，通過計(jì)算滲水量及壩區(qū)積雨量，選擇和設(shè)計(jì)出合理的抽排設(shè)備、系統(tǒng)布置方案、抽排水施工措施、后期管路處理等可行性方案。

2 研究內(nèi)容及成果

2.1 課題研究方法

課題研究中采用的研究方法主要包括：①技術(shù)準(zhǔn)備分析；②現(xiàn)場調(diào)研；③施工方法及相關(guān)技術(shù)參數(shù)的確定；④工程施工；⑤運(yùn)行監(jiān)測。

2.1.1 技術(shù)準(zhǔn)備分析

聯(lián)合體根據(jù)相關(guān)水文資料獲得的各項(xiàng)參數(shù)及通過計(jì)算施工區(qū)水量來進(jìn)行規(guī)劃施工方案的編制、合理安排施工和配備設(shè)備。

2.1.2 現(xiàn)場調(diào)研

對該工程的地形地質(zhì)條件及水文條件等進(jìn)行實(shí)地考察，為抽排水系統(tǒng)布置施工提供指導(dǎo)。

2.1.3 施工方法及相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場確定的相關(guān)參數(shù)及現(xiàn)場調(diào)研信息，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，確定最終施工方法、施工工藝及設(shè)備配置參數(shù)及工程量計(jì)算。

2.1.4 工程施工

根據(jù)確定的最終施工方法，優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟(jì)地完成工程施工任務(wù)。

2.1.5 運(yùn)行監(jiān)測

在設(shè)備運(yùn)行過程中，現(xiàn)場實(shí)地監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行情況，非汛期和汛期抽排水強(qiáng)度監(jiān)測。根據(jù)壩體填筑的進(jìn)度，及時(shí)對管路的保護(hù)、修復(fù)和線路調(diào)整進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 采取的主要措施

2.2.1 組織與人員保證

從課題申報(bào)起，由中電建12.5聯(lián)合體組成了課題組，并有明確的任務(wù)分工和過程目標(biāo)考核要求。

2.2.2 強(qiáng)化過程管理

課題依托兩河口大壩工程，研究工作圍繞大壩基坑施工期抽排水的時(shí)間全面展開，提出了“以過程控制，實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)”的理念，并貫穿于課題研究的全過程。

2.2.3 儀器設(shè)備等硬件保證

將所有科研儀器設(shè)備和場地條件優(yōu)先滿足課題研究之需，并根據(jù)試驗(yàn)需要，及時(shí)新購置設(shè)備及配件等。

2.3 實(shí)施情況

2.3.1 泵站的階段性設(shè)計(jì)與布置

根據(jù)地形規(guī)劃，基坑抽排水總體方案采取點(diǎn)對點(diǎn)分散導(dǎo)排和集中泵站抽排兩種形式。結(jié)合大壩施工的不同階段，分期形成泵站，并根據(jù)不同施工階段分步設(shè)置。

泵站設(shè)計(jì)共分4階段：

1)一期泵站：一期抽排水布置主要為基坑初期積水抽排，降低水位便于設(shè)備進(jìn)入基坑進(jìn)行覆蓋層開挖。分別在上游圍堰區(qū)域布置了6臺(tái)37kW潛水泵進(jìn)行上游河床積水坑抽排，采用軟管直接沿上游低堰穿越堰頂至壩區(qū)外；在下游右岸挖集水坑，布置了一臺(tái)220kW離心泵進(jìn)行下游河床積水抽排，采用預(yù)埋鋼管穿越下游低堰至壩區(qū)外。

2)二期泵站：二期施工時(shí)段為基坑開挖階段，隨著河床基巖面的逐漸裸露，河底不是凹凸不平的基巖基礎(chǔ)，不利于設(shè)置集中抽排水泵站。根據(jù)實(shí)際地形，那里有凹坑積水區(qū)就點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)置潛水泵，并根據(jù)基坑開挖道路的變化及時(shí)挪動(dòng)抽水泵。所有導(dǎo)水泵將河床基礎(chǔ)積水導(dǎo)致上、下游布置的臨時(shí)集水坑后，再從布置在上、下游的管路統(tǒng)一抽排至壩區(qū)以外。

3)三期泵站：三期泵站的設(shè)置主要是為了2016年汛期度汛，同時(shí)為大壩心墻混凝土施工創(chuàng)造干地施工條件。此時(shí)基坑已開挖完成，整個(gè)河床呈“凹”型，心墻最低，在心墻壩軸線處還要繼續(xù)下挖一條廊道基礎(chǔ)槽，最低高程為2572m。為防止壩殼區(qū)上、下游滲水匯入心墻施工區(qū)，在上、下游過渡區(qū)澆筑有一道混凝土擋水坎將匯入蓄積在壩殼區(qū)，并在擋墻后分別設(shè)置浮船搭載2臺(tái)220kW離心泵和一臺(tái)37kW離心泵進(jìn)行抽排水。上游泵站管路沿右岸坡2620m高程架設(shè)穿越上游圍堰基座混凝土延伸至上游壩區(qū)以外；下游泵站管路沿左岸鋪設(shè)翻越下游圍堰2618m高程延伸至下游壩區(qū)以外。

4)四期泵站：四期泵站布置是為了保持堆石區(qū)水位低于心墻土料填筑面5m。當(dāng)心墻填筑上升后，此時(shí)期正值非汛期，上下游各布置一臺(tái)37KW離心泵便可以控制水位上漲，便上、下游堆石區(qū)設(shè)置了鋼筋籠式的井點(diǎn)集水井，離心泵通過管井集水井抽排基坑積水。此時(shí)隨著心墻平起上升，將三期建設(shè)的上下游大型集水坑進(jìn)行了回填，浮船和大離心泵也進(jìn)行了拆除。

2.3.2 管路的設(shè)計(jì)與布置

排水管線布置原則是避開干擾、降低揚(yáng)程、縮短管路。由于受兩河口河床基礎(chǔ)地形約束，因此基坑排水管路分別向上游和下游壩殼區(qū)布置。上游泵站管路沿右岸原低線公路布置，高程約2620m左右，穿越上游圍堰。下游泵站管路沿基坑填筑面左岸架設(shè)翻越下游圍堰堰頂2618m高程至下游壩區(qū)外。

上、下游泵站的主排水DN350mm鋼管分別布置在壩內(nèi)2620m高程和2618m高程，埋設(shè)于堆石區(qū)內(nèi)，管周鋪設(shè)0.5m厚反濾料。為避免與基坑開挖和壩體填筑的相互干擾，上游管路順右岸坡設(shè)鋼架支撐管道爬升至2620m高程水平鋪設(shè)至上游圍堰外；下游管路沿左岸坡經(jīng)下游堆石區(qū)架設(shè)穿越下游圍堰外。局部采用型鋼支撐系統(tǒng)，水平鋪設(shè)時(shí)采用漿砌石墩穩(wěn)固。每道排水管路上均分級布置逆止閥。

管路采用型鋼架設(shè)，局部采用漿砌石墩水平鋪設(shè)，隨著壩體填筑管路埋入堆石料內(nèi)等措施，有效的有效降低排水揚(yáng)程，從而減小排水難度，避開岸坡危巖體的影響，節(jié)約了排水管路，降低了排水能耗，從而極大的節(jié)約了成本。尤其是根據(jù)壩區(qū)實(shí)際排水強(qiáng)度，開啟37kW離心泵進(jìn)行日常水位控制，遇強(qiáng)降雨天氣才開啟220kW大離心泵進(jìn)行抽排，合理安排了設(shè)備運(yùn)行管理，有效的節(jié)約了基坑排水的成本。

2.3.3 浮船的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

浮船尺寸13m×3m×1m(長×寬×高)，可并排安裝4臺(tái)排水泵，采用橡膠軟管連接排水鋼管與水泵，可避免因硬連接而隨著集水坑內(nèi)水位的升高與降低導(dǎo)致的浮船傾斜。浮船的利用，有效的避免了因長時(shí)間停電或管路故障引起的泵坑內(nèi)水位上升而導(dǎo)致的水泵被淹等情況，減少了水泵坑對填筑的影響。

2.3.4 滲水來源及地表水截排措施

兩河口工程施工區(qū)范圍內(nèi)有兩條常年流水的溝，還有多條易形成徑流水的溝壑。通過對截排處理，減少了基坑抽排水壓力，使得基坑泵站運(yùn)行負(fù)擔(dān)小。

1)岸坡截水措施：

在左右岸施工開口線外都修筑有截水溝設(shè)施，由于截水溝施工長度有限，并未將岸坡的截水排至壩區(qū)外，而只是將水導(dǎo)排至了壩區(qū)的溝壑內(nèi)流至基坑。通過排查，聯(lián)合體對兩岸坡的截水溝端頭進(jìn)行了封堵，將溝內(nèi)截水通過架設(shè)的引排管路引至壩區(qū)外。右岸2785m平臺(tái)廢水及截水溝溝水通過連接引水管路將水引排至阿農(nóng)溝排水洞排走,左岸坡的施工廢水及坡表水匯入在岸坡修筑的引排水溝將水引排至場內(nèi)排水溝排出。

2)流水溝壑截排措施：

阿農(nóng)溝和慶大河為常年有水的天然溝。常年流水量非常之大，匯入基坑易造成淹沒基坑的危險(xiǎn)。所以在阿農(nóng)溝溝口部位修筑了擋水堰并埋設(shè)排水管路將溝水引排至下游圍堰以外，保證了阿農(nóng)溝溝水不進(jìn)入基坑。

慶大河在大壩標(biāo)進(jìn)場前已由其他標(biāo)段修筑攔河大壩并打通一條往上游引排的排導(dǎo)洞。將慶大河水全部通過引水洞排導(dǎo)至上游雅礱江。大大減小了基坑抽排水壓力。

3)基坑截水措施：

兩河口大壩基坑開挖完成，整個(gè)壩基呈“凹”型地形，上下游壩殼區(qū)基坑比心墻基礎(chǔ)高，匯水全部呈分散型流向基坑。在凹凸不平的基巖巖面上布置抽水泵很難全方位截排到河床基礎(chǔ)面的滲流水。

2.4 主要研究成果

根據(jù)2016年汛期基坑抽排水的情況，不斷總結(jié)，為2017年汛期基坑度汛奠定了基礎(chǔ)。通過前期研究成果總結(jié)，后期從如下方面進(jìn)一步改進(jìn)加強(qiáng)，從而確保了本工程安全度汛施工。

1)總結(jié)前期抽排水施工經(jīng)驗(yàn)和水量數(shù)據(jù)分析。

2)提前規(guī)劃：在下一汛期設(shè)施前，提前對周圍環(huán)境及地形進(jìn)行排查，對有可能的滲水點(diǎn)進(jìn)行截排處理。

3)施工方案和工藝的更新。

4)現(xiàn)場施工管理安全、質(zhì)量控制：①成立泵站運(yùn)行及用電專業(yè)操作班子，施工前進(jìn)行系統(tǒng)專業(yè)培訓(xùn)，持證上崗；②吊裝及焊接施工嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程；③設(shè)備、材料的采購必須保質(zhì)保量，嚴(yán)禁采購偽劣產(chǎn)品；④做好設(shè)備及管路運(yùn)行期的維護(hù)管理；⑤安排專人對水泵的運(yùn)行功效進(jìn)行監(jiān)控并記錄；⑥加強(qiáng)氣象監(jiān)測和氣象預(yù)報(bào)；⑦重點(diǎn)做好壩體填筑過程中管路的保護(hù)及后期回填工作。

3 結(jié) 論

兩河口水電站大壩基坑排水順利運(yùn)行，經(jīng)過了圍堰施工、廊道開挖及澆筑、心墻填筑基坑最低控制水位等關(guān)鍵時(shí)段排水期考驗(yàn)，實(shí)踐證明排水方案設(shè)計(jì)合理、可行?？偨Y(jié)大型深基坑、高揚(yáng)程排水特點(diǎn)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主要有以下6個(gè)方面主要因素：

1)注重排水分期規(guī)劃。排水分期與施工進(jìn)度相協(xié)調(diào)，根據(jù)各階段施工任務(wù)逐步建設(shè)排水系統(tǒng)，做到排水與施工有序進(jìn)行、排水能力滿足階段需要、排水系統(tǒng)避免重復(fù)建設(shè)。

2)有效的截排措施。通過對岸坡的徑流水及溝壑流水進(jìn)行截導(dǎo)排，大大減小了基坑抽排水強(qiáng)度。降低了水泵負(fù)荷。減小了設(shè)備配置數(shù)量和用電附屬配置等。有效節(jié)約了成本。

3)大型深基坑排水應(yīng)推廣使用浮船技術(shù)。對比使用固定泵臺(tái)與浮船兩種方案，浮船方案具有吸程穩(wěn)定、效率高、布置方便、避免反復(fù)吊裝水泵等明顯優(yōu)勢。雖然開始使用時(shí)存在隨水位上升浮船偏斜的問題，但對水泵進(jìn)、出水管的構(gòu)造稍做改進(jìn)就得到解決，運(yùn)行正常。

4)大型深基坑排水必須保證100%備用電源。兩河口基坑排水過程中備用電源功率為4600kW，汛期最大抽排負(fù)荷時(shí)水泵銘牌功率2860kW。在配置備用電源時(shí)，充分考慮啟動(dòng)功率高于運(yùn)行功率的特點(diǎn)，配置備用電源總?cè)萘恳?水泵正常運(yùn)行時(shí)的用電負(fù)荷，以提高保證率，確保水泵啟動(dòng)及運(yùn)行正常。

5)反向排水系統(tǒng)的應(yīng)用。為防止上游壩殼區(qū)水壓力破壞上游圍堰斜墻土工膜防滲體，在上游圍堰岸坡基座混凝土內(nèi)穿越埋設(shè)了兩根350mm的排水鋼管。反向排水管布置在2621m高程，當(dāng)上游基坑水位超過2621m高程時(shí)，積水自然從反向排水管排至上游雅礱江。緩解了基坑抽排水強(qiáng)度，減少了抽排系統(tǒng)配置，減輕了管理壓力。

6)管井抽排方法。管井抽排方法是通過在堆石體中埋設(shè)鋼筋籠圓桶形管形成管井，管井適用于非汛期小滲流量時(shí)期使用，管井直徑為1m，占地面積小，碾壓施工設(shè)備在壩面運(yùn)行方便，有利于壩體快速上升，也很好的控制了水位。