猴子巖面板堆石壩施工期反向排水系統的設計與運行

朱 永 國， 唐 珂， 戴 繪

(國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川 康定 626001)

1 工程概況

猴子巖水電站是大渡河干流水電梯級開發規劃的第9個梯級電站，電站裝機容量1 700 MW(425 MW×4臺)。壩址控制流域面積54 036 km2，多年平均流量774 m3/s。水庫正常蓄水位1 842 m，相應庫容6.62億m3。電站主要樞紐建筑物包括混凝土面板堆石壩、左岸深孔泄洪洞和非常泄洪洞(結合1#導流洞改建)、右岸溢洪洞和泄洪放空洞、右岸地下引水發電系統等。施工期間采用隧洞導流，兩條導流洞等高程平行布置于左岸，進口底板高程1 698 m，出口底板高程1 693 m。

面板堆石壩最大壩高223.5 m，壩頂長度278.35 m，壩頂寬度13.2 m。壩體自上游面至下游面大致分為：輔助防滲鋪蓋、混凝土面板、墊層料、過渡料、堆石料、大塊石護坡、壩腳壓重體。壩體上游壩坡1∶1.4，下游壩坡考慮壩后“之”字形道路的綜合坡比1∶1.6。壩體填筑方量963萬m3(其中上游鋪蓋填筑量66萬m3)。為有效監測運行期壩體滲流量，結合壩后量水堰設一道防滲墻，防滲墻基礎嵌入基巖1 m，兩端與岸坡結合部設30 m深扇形帷幕以確保阻滲效果。

2 地質特點

猴子巖面板堆石壩河谷特別狹窄，屬典型的“V”型河谷。兩岸地形陡峻，臨河山體坡度約60°～65°，臨河坡高大于800 m。兩岸山體為厚層―巨厚層狀(局部薄層狀)白云質灰巖、變質灰巖，夾含絹云母變質灰巖等，巖石總體上堅硬完整，分布少量層間擠壓破碎帶和斷層破碎帶。前期地質鉆孔揭示：1 700 m高程以上兩岸山體淺表卸荷發育，深部發育有溶孔、溶隙，存在深卸荷裂隙，兩岸地下水水平埋藏較深。天然河床(高程1 700 m)以下巖溶發育，地下水低緩但活動頻繁，水力聯系較強。[1]

壩址河床覆蓋層最深達75 m，自下而上分為四層：第①層為含漂(塊)卵(碎)砂礫石層，厚約10 m～40 m，結構較密實，透水性強，承載力較高。第②層為粘質粉土，連續分布，一般厚13 m～20 m，微透水，承載力低，抗變形能力弱,為可能液化土層，對壩坡穩定和大壩的應力變形影響較大。第③層為含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層，厚度約5 m～26 m，結構稍密實，透水性較強。第④層為孤漂(塊)卵(碎)砂礫石層，厚度約3 m～15 m，結構較松散，強透水。由于第②層影響壩體穩定、必須挖除。因此，軸線下游保留河床覆蓋層第①層、第②層及其上部覆蓋層全部挖除；壩軸線上游大部分開挖至基巖，建基面高程1 627 m～1 631 m，最低高程約1 625 m，河床趾板基礎用混凝土回填至1 635 m高程。

由于河床基坑開挖深度達75 m，上下游圍堰相距約1.2 km，基坑匯水面積大，開挖施工過程中在大壩基坑上、下游設置了分級抽排水系統，總體抽排水能力按照9 950 m3/h配置[2]。施工期間實測基坑滲水量約1 400～1 800 m3/h。單獨就猴子巖面板堆石壩而言，由于基坑深、河谷深切、兩岸山體深層卸荷裂隙發育、地表降雨匯水面積大、近1/3壩高位于原河床以下且壩體下游設有防滲墻等原因，導致壩體反向排水具有特有的技術難度與挑戰，本文擬專門介紹本工程堆石壩體施工期反向排水系統的設計方案與運行情況。

3 壩體反向排水系統設計

3.1 壩體反向排水量估算與總體方案

國內外曾發生多起面板堆石壩施工期間因壩體內反向排水不暢而破壞上游壩坡或面板的案例。因為墊層料為相對不透水層，當壩體內外水位差高于墊層料坡面或面板的承受能力時就必然發生墊層料的滲透破壞，甚至可能導致面板發生失穩破壞、止水結構被拉裂。因此，在壩體填筑施工期間，包括在面板混凝土施工完成后、大壩上游鋪蓋填筑前，壩體內的積水必須及時排出。面板堆石壩施工期壩體內積水主要來源于兩岸山體地下水(包括上下游圍堰繞滲、導流洞滲水等)、地表降雨下滲、堆石料碾壓加水和施工棄水等。

在壩基河床覆蓋層開挖過程中，對壩體范圍內兩岸山體地下水、包括上下游圍堰繞滲、導流洞滲水等已有比較準確地數據，枯期約500 m3/h。考慮到汛期降雨、碾壓加水和施工棄水等因素，猴子巖面板堆石壩壩體反向排水量估算約1 000 m3/h。

由于猴子巖大壩基坑深達75 m，綜合考慮后期壩體反向排水系統的封堵施工以及封堵期間的面板安全，壩體反向排水系統設計為分級抽排方案，具體分為上游反向排水系統和下游排水豎井。上游反向排水系統負責上游排水豎井井口高程(約1 660 m)以下輔助防滲鋪蓋填筑完成前的壩體反向抽排水。下游排水豎井負責上游排水豎井封堵、以及高程1 660 m至1 690 m壩前輔助防滲鋪蓋填筑期間的壩體抽排水。

3.2 上游反向排水系統

上游反向排水系統平面圖、剖面圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 上游反向排水系統平面圖

大壩施工期間，壩體內積水主要通過8根DN325的排水鋼管(每根長約43 m)排至壩前集水井，再通過基坑抽排水系統將水排至基坑外。排水鋼管埋設高程1 635.00 m。為了使壩體內積水能夠及時有效匯集排除，在壩體上游樁號(壩)0-257.60 m處布置一水平排水暗溝和兩個內徑為2 m的排水豎井，排水鋼管伸入排水暗溝和排水豎井中。排水暗溝采用粒徑為2 cm～10 cm的碎石料回填，排水豎井結構布置型式從內至外分別為鋼筋籠、鐵絲網、粒徑為2 cm～10 cm的碎石料、過渡料等。排水豎井和排水暗溝底部為壩基開挖后的基巖面，高程約1 630 m。排水暗溝頂部略高過排水鋼管，排水豎井頂部高程為1 665.29 m。

3.3 下游反向排水豎井

下游反向排水豎井的平面布置圖和剖面圖分別如圖3、圖4所示。下游反向排水豎井布置于壩體下游的壩后壓重體內、壩后量水堰防滲墻的上游側，豎井底部高程為1 652 m(即保留的河床覆蓋層第①層的頂部高程)，頂部高程為1 690 m(壩體施工期壓重體平臺高程)。排水豎井的結構型式同上游排水豎井。為與豎井外側壩體填筑料一致、防止壩基砂礫石層細顆粒流失，豎井底部鋪填1.6 m厚反濾料。

圖2 上游反向排水系統剖面圖

圖3 下游反向排水豎井平面布置圖

4 壩體反向排水系統運行

猴子巖面板堆石壩于2013年6月開始壩體堆石料填筑，上游排水豎井、排水暗溝、排水鋼管于2013年10月初形成并投入運行，2014年11月至2015年1月完成一期面板(高程1 738 m以下)混凝土施工，2015年4月進行上游壩體反向排水鋼管封堵，2015年5月至6月完成壩前1 665 m高程以下輔助防滲鋪蓋回填與排水豎井封堵施工，2015年7月至9月完成壩前高程1 665 m至1 690 m輔助防滲鋪蓋回填施工；2015年12月完成壩體填筑施工，2016年2月至5月完成二期面板(高程1 738 m～1 810 m)混凝土施工，2016年6月完成下游排水豎井回填封堵施工。

施工期壩體反向排水系統的運行大體分為三個階段：

第一階段：2013年10月～2015年4月，壩體內積水由8根DN325鋼管排至壩前集水井。這期間，壩體反向排水量約400～600 m3/h。

第二階段：2015年4月～2015年6月，壩體內積水由上游2個排水豎井排至壩前集水井，每個豎井內安裝一臺深井泵(揚程80 m、功率165 kW、抽水能力400 m3/h)。這期間，壩體反向排水量約400～600 m3/h。

圖4 下游反向排水豎井剖面圖

第三階段：2015年7月～2016年6月，壩體內積水由下游2個排水豎井排至下游河道，每個豎井內安裝一臺深井泵(揚程80 m、功率165 kW、抽排能力400 m3/h)。其中，2015年9月壩前高程1 690 m以下輔助防滲鋪蓋施工完成、大壩本身已不再要求壩體反向排水。隨后下游排水豎井控制抽排水量、壩體內水位緩慢上升至1 685 m高程后停止抽排水。2015年10月以后壩體內積水通過壩后兩岸山體卸荷裂隙排泄至壩后尾水基坑、再抽排至下游河道。2016年3月至4月,因尾水基坑和尾水洞出口段襯砌施工,利用壩體下游反向排水豎井抽排水將壩體內水位控制在1 670 m左右。這期間，尾水基坑抽排水量最小值約400 m3/h。

大壩周邊縫各滲壓計測點所監測的壩體內水位過程線(圖5)，與壩體反向排水系統的運行情況完全一致。

圖5 周邊縫滲壓計監測的壩體內水位過程線(PDB-25為壩前基坑水位)

5 結 語

猴子巖面板堆石壩最大壩高223.5 m，基坑深達75 m，再加上河谷深切、兩岸山體深層卸荷裂隙發育、地表匯水面積大、近1/3壩高位于原河床以下且壩體下游設有防滲墻等原因，導致壩體反向排水具有特有的技術難度與挑戰。針對本工程基坑深、壩體反向排水量較大等自身特點，設計人員創新提出了分級抽排水方案。通過實際運行表明，無論是在壩體填筑施工期、還是在壩體反向排水封堵與壩前輔助防滲鋪蓋回填施工期間，壩體上游墊層料坡面和混凝土面板均未受到壩體反向排水的任何不利影響，說明猴子巖面板堆石壩施工期壩體反向排水系統的設計方案是成功的。同時，通過回顧施工期間壩體反向排水系統的運行情況，我們可知猴子巖面板堆石壩壩體范圍內的兩岸山體地下水枯水期來水量約400 m3/h。