英布魯水電站樞紐施工導流與基坑排水

趙立民 王立選 趙永財

英布魯水電站工程,位于剛果共和國剛果河支流萊菲尼河下游,距萊菲尼河口14 km。樞紐工程總庫容5.84×108m3,裝機容量120 MW,大 (Ⅰ)型工程,永久性主要建筑物按1級建筑物設計。攔河樞紐主要由土壩、泄水閘、電站廠房組成,壩頂全長581 m,最大壩高32.5 m。

1 施工導流標準

根據永久建筑物級別,導流建筑物定為4級。導流擋水建筑物采用土石結構,選定導流建筑物設計洪水標準為20年一遇,相應洪峰流量766 m3/s。

2 施工導流方案

壩址處河床寬80～110 m,河床高程約285 m,平水期水面高程290 m左右。河床兩岸為漫灘,右岸灘地寬大多在150 m左右,最大寬度約300 m；左岸灘地寬約50 m。灘地高程290～293 m,灘地外側為較平緩的山坡。根據壩址地形條件,結合樞紐布置,攔河樞紐施工采取分期導流方式。

一期導流:河水通過原河床下泄,施工位于右岸灘地的泄水閘、電站廠房、右岸土壩及二期縱向圍堰。由于灘地前沿高程較低,需在河床岸邊填筑擋水圍堰；河床通過設計洪水時壩址上下游水位分別為291.60m和291.47 m,一期圍堰頂高程293.00m。

二期導流:當泄水閘、廠房和二期縱向圍堰具備過流擋水條件后,挖除引水渠進口及尾水渠出口圍堰及巖坎,進行河床截流,河水通過泄水閘永久底孔和臨時導流底孔下泄,在二期圍堰的保護下進行河床土壩施工。臨時導流底孔設在泄水閘表孔壩段,尺寸為10 m×7 m；永久底孔2孔,布置在臨時底孔兩側,單孔7 m×7 m。通過導流設計流量766 m3/s時,上、下游圍堰堰前水位分別為292.54 m和291.47 m,相應堰頂高程為294.00m和293.00 m,二期縱向圍堰頂高程為294.00 m。二期導流布置見圖1。

二期導流期末,待河床土壩基本建成并具備擋水條件后,封堵臨時導流底孔,拆除下游圍堰。

3 導流建筑物設計

3.1 壩區地質

壩區地處巴泰凱高原,為巨厚陸相沉積地層。壩址兩岸坡地及以上均覆蓋有第三系砂壤土和中細砂；兩岸坡腳及灘地、河床,覆蓋有第四系砂壤土和中細砂夾卵礫石；覆蓋層以下為白堊系軟弱砂巖,巖層產狀近水平,裂隙不發育,膠結不良,強度低,孔隙大,透水性強,該層河邊水面附近有出露,壩區勘探深度100m未予揭穿,根據巖體工程地質特征,可將其自上而下分為3層:(1)薄層軟弱砂巖 (),厚度大于15 m,膠結程度較差,表部風化嚴重,滲透性相對不均勻,滲透系數大多為1.85×10-2cm/s；(2)中厚層軟弱砂巖 (),厚約10 m,膠結程度相對較好,巖體相對密實完整,滲透性勻一,滲透系數約為1.30×10-2cm/s；(3)薄層軟弱砂巖 (),深度未揭穿,膠結程度差,質地松軟,巖體普遍為強透水,透系數一般為2.55×10-2cm/s。

巖體水平向滲透性較強,而層間滲透性存在差異,局部表現出相對較明顯的承壓性；部分弱鈣質膠結的松軟砂巖存在滲透變形問題,臨界水力比降值大致在0.6～0.9之間；河道兩岸地下水補給源豐富、穩定。

3.2 一期圍堰設計

一期圍堰沿河道右岸岸邊布置,堰頂高程293.0 m,最大堰高3 m,全長約1 000 m,均質壤土圍堰,編織袋土護坡,圍堰頂寬3 m,邊坡1∶2。

圖1 二期導流平面布置圖

堰基為河漫灘,上覆沖積中細砂夾卵礫石,厚1～5 m,滲透系數5.44×10-4cm/s；其下為白堊系砂巖,透水性強。由于圍堰沿河邊布置,無法在河道動水中填筑防滲鋪蓋。對于灌漿帷幕防滲方案,通過二維滲流計算對防滲效果進行了分析,主要計算參數:河水位291.5 m,基坑水位266.7 m；帷幕厚2.0 m,滲透系數1×10-6cm/s；堰基砂巖滲透系數2.55×10-2cm/s,無相對隔水層。計算結果見表1。

表1 一期圍堰不同工況滲流計算

根據計算結果分析,堰基無相對隔水層,且基坑深度較大,懸掛式帷幕防滲效果較差,因此,一期圍堰堰基不設防滲帷幕。

3.3 二期圍堰設計

3.3.1 上游圍堰

二期上游圍堰設計水位292.54 m,頂高程294.00 m,頂寬 18.0 m,最大堰高 9.0 m,土石結構,壤土斜墻加水平鋪蓋防滲,堰體背水坡1∶1.5,迎水坡1∶4.5；圍堰基礎面水平防滲長度 40 m(含斜墻段),其中鋪蓋長27 m,厚2～3 m,斜墻及鋪蓋表面采用編織袋土壓編織布軟體排防護。

堰基河床上覆沖積中細砂夾卵礫石厚0～2 m,其下為白堊系砂巖,透水性強。為合理確定水平防滲長度,進行了二維滲流有限元計算分析,主要計算參數:河水位292.54 m,基坑水位281.70 m,斜墻及鋪蓋滲透系數1×10-4cm/s,堰基砂巖滲透系數2.55×10-2cm/s。計算結果見表2。

表2 二期圍堰不同工況滲流計算

根據計算結果分析,水平防滲長度40～60 m滲流量變化不大,選定水平防滲長度40 m。3.3.2 下游圍堰

二期下游圍堰設計水位291.47 m,頂高程293.00 m,頂寬13.0 m,最大堰高8.0 m。圍堰結構同上游圍堰。

3.4 施工過程中圍堰斷面的調整

工程施工過程中,根據現場情況及施工條件,對二期上、下游圍堰斷面進行了一些調整。上游圍堰基本按原設計結構進行施工,但根據現場施工設備條件,上游鋪蓋采取了在水位以上進占填筑方式,使河床中部鋪蓋厚度增加至7.1～7.6 m；下游圍堰堰體則直接采用防滲土料填筑,堰體直接起到水平防滲作用,取消了防滲鋪蓋。

4 基坑排水

4.1 基坑滲流計算

一期基坑位于河床右岸灘地,基巖頂面高程288～295 m,河水位291.5 m,河岸地下水高于河道常水位,基坑水位要求控制在266.7 m以下,降水深度24.8 m。二期基坑位于主河床,上游水位292.40 m,下游水位291.40 m,基坑內水位281.70 m,降水深度10.7 m。

滲流計算采用三維有限元方法模擬基坑幾何形狀和防滲排水系統,對不同排水形式、排水井位置、井間距等進行了計算分析:

(1)一期基坑。①采取排水溝單一排水形式可使基坑底面不被滲水浸沒,但巖體中地下水位較高,泄水閘277 m建基平臺 (閘底板)出現外滲；②在圍堰頂部打少量排水井強迫降水,仍不能完全解決277 m平臺外浸,將井位移至基坑277 m平臺,基本可以解決內坡段外滲,井間距越小,效果越好；③排水井沿廠房基坑坡腳附近設置,泄水閘側布置于277 m建基平臺,降水效果較好,滲流量大部分由井抽出,一部分由排水溝匯集后排出,計算滲流總量4 520 m3/h(22眼井+排水溝,砂巖滲透系數1.8×10-2cm/s)；④某些部位最大滲透坡降值超過允許滲透坡降,但范圍較小,主要出現在內部和排水井附近,只要采取必要的反濾措施,巖體邊坡發生滲透破壞的可能性較小。

(2)二期基坑。①從三維滲流場計算結果看,采取排水溝單一排水形式,可使基坑建基面不被滲透水浸沒,但圍堰水平防滲的設置是必需的；②砂巖滲透系數取1.85×10-2cm/s,基坑滲水量為3 360 m3/h,滲透系數取2.55×10-2cm/s,滲水量為4 315 m3/h；③地層局部最大滲透坡降值超過允許滲透坡降,主要出現在內部,且非集中出現,巖體邊坡發生滲透破壞的可能性較小。

4.2 排水設計

根據滲流計算,一期基坑滲水量取為 4 600 m3/h,二期基坑取為3 750 m3/h。考慮井點布置因素并計入降雨量后,一期基坑排水按5 400 m3/h設計,二期基坑排水按4 500 m3/h設計。

一期基坑:采用井排與明排結合方案。在廠房和泄水閘基坑四周坡腳附近設22眼管井,井間距15～20 m,井底高程255 m,井徑60 cm,單井抽水量200 m3/h,配潛水深井泵,總計井排抽水量4 400 m3/h；在基坑內設1 m深排水溝,溝內滲水匯至集水坑后排出,配流量150 m3/h離心泵2臺,100 m3/h離心泵7臺,明排抽水量共1 000 m3/h。

二期基坑:采用明排方案?；觾仍O1 m深排水溝,溝內滲水匯至集水坑后排出,排水設備主要利用一期設備,另配2臺流量250 m3/h離心泵。

以上排水設備配置均不含備用水泵。

4.3 基坑排水的實施

4.3.1 一期基坑排水

一期基坑降排水分兩個階段實施,第1階段將基坑水位控制在266.7 m以下,保障廠房建基面267.0 m高程以上建筑物的施工；第2階段將安裝間集水井基坑水位控制在建基面262.5 m以下,澆筑集水井、安裝間和1#機組廠房。

第1階段基本按原設計實施,共布置18眼井,井底高程256 m,每眼井配流量240 m3/s的深井泵,同時在基坑內設置排水溝和集水坑進行明排。基坑降排水基本達到了預期效果,2#～4#機組段基坑開挖結束后較順利的轉入混凝土澆筑。

第2階段初期,在集水井基坑內、外共布置水泵23臺,實測排水流5 400m3/h,水位未能降至建基面262.5 m以下,集水井基坑下部開挖采取水下開方式完成。由于高程265m以下巖體 (K2i-1)結構較為疏松、透水性強,集水井周邊水位較高,基坑水位遲遲不能降至建基面以下,混凝土澆筑無法進行,加上開挖卸荷等因素的影響,在滲流的長時間作用下,滲流通道不斷加大,基坑滲水量明顯增加。最終在基坑周邊節理層形成多處集中滲流通道,其中兩處節理層掏蝕嚴重,形成空洞；由于節理層近水平,原深入下部強透水層 (K2i-1)的幾處排水井井水補給節理層,進一步加大了滲流補給。

第2階段后期,針對上述情況采取了先堵漏截滲,再加大排水設備容量集中排水措施。首先采用高錳酸鉀查找與集中滲透通道連通的排水井,通過排水井向滲漏通道 (空洞)內回填級配碎石,并在基坑內對滲漏通道出口用鋼筋石籠進行封堵,防止碎石流入基坑；然后在基坑外沿注漿形成阻水帷幕,并對碎石及節理層起到固結作用。后期排水在集水井基坑外圍深井內布置21臺流量240 m3/h的深井泵,在基坑下游坡腳布置集水坑,安裝9臺流量210 m3/h長軸泵和10臺潛水泵明排,實測最大排水量7 688 m3/h,隨著滲透半徑的擴大,水位穩定在263.0 m以下,在基坑底部回填部分混凝土后,使集水井結構混凝土干地施工。

4.3.2 二期基坑排水

二期基坑排水基本按原設計采取明排方案,基坑內設排水溝,溝內滲水匯至集水坑后排出。實際排水量 (滲流量)約1 100 m3/h,而滲流量計算值為3 360 m3/h(滲透系數1.85×10-2cm/s),分析其原因,除圍堰鋪蓋加厚減小滲流量外,由于二期基坑較淺,處于K2i-3巖層,而基坑滲流計算中按均一巖體未考慮垂直滲流差異,尤其K2i-2巖層 (滲透系數1.30×10-2cm/s)的作用,使得滲流計算值偏大。

5 結 語

(1)從本工程一期基坑滲流計算分析看出,對于無相對隔水層的強透水地層中的深基坑,采取懸掛式垂直防滲阻水效果不佳；二期基坑水平鋪蓋防滲效果明顯。

(2)對于強透水地層,采取深井降低基坑外圍地下水位是有效的方法,但應注意地層不同位置、不同深度上滲透性差異,重視揭穿富水區和深層強透水地層帶來的危害性。

(3)對于弱膠結強透水軟弱砂巖,排水井內應做好反濾,基坑下部揭穿的軟弱節理、斷層等強透水構造,必要時可在基坑周邊預先做好固結處理；排水設備容量要留有余地、一次到位,保障基坑開挖和基礎混凝土澆筑順利進行,盡可能縮短高水頭下的排水時間,減少滲透破壞的發生。