堆石壩超大基坑施工期水流控制技術研究

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；壩區河谷狹窄；兩岸分布超高陡邊坡施工群及多條壩區內常年流水的溝壑；河谷復雜地質地形施工條件非常困難，河床覆蓋層按設計要求需開挖至河床基巖面，底部基巖面河床呈深“V”型沖刷侵蝕不規則形體。而此前公司基本未在同類型地區承建過類似高海拔、高寒、超高邊坡、復雜河谷地形下進行大型基坑抽排系統實施。

1.2 研究內容及目標

主要研究在高海拔、超高陡邊坡、狹窄河谷、河床基巖面結構地形復雜等特點條件下，通過對壩址地區積雨量及匯水源量的觀察監測，制定可靠的基坑截排及抽排綜合方案，保質量、保進度、安全完成大壩基坑填筑施工任務。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測資料，對壩址地區汛期積雨面積的積雨量進行詳細準確計算；對壩址區滲水點進行排查及水量監測；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；大壩基坑根據匯水量配置相應參數的水泵、管路及管路布設方式。

3)根據水量、基坑地形編制適合實地操作的抽排水設計施工方案。

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，分析排水方案的設計與施工，基坑排水與其他施工項目間干擾的解決措施，減少基坑排水難度，降低工程建設成本，為類似條件下設計階段基坑排水提供治水方案設計參考。

1.3 技術指標

1)根據招標文件水文氣象資料查詢，兩河口施工區歷史降雨量小時最大16mm，單日最大降雨量為53mm。

2)兩河口水電站填筑壩區內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。整個填筑壩區(包括上游慶大河及下游阿農溝)積雨面積約400多萬m2。

1.4 技術路線

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

2)根據歷史水文資料及實際監測水文資料，通過計算滲水量及壩區積雨量，選擇和設計出合理的抽排設備、系統布置方案、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技術準備分析；②現場調研；③施工方法及相關技術參數的確定；④工程施工；⑤運行監測。

2.1.1 技術準備分析

聯合體根據相關水文資料獲得的各項參數及通過計算施工區水量來進行規劃施工方案的編制、合理安排施工和配備設備。

2.1.2 現場調研

對該工程的地形地質條件及水文條件等進行實地考察，為抽排水系統布置施工提供指導。

2.1.3 施工方法及相關參數的確定

根據現場確定的相關參數及現場調研信息，結合現場實際情況，確定最終施工方法、施工工藝及設備配置參數及工程量計算。

2.1.4 工程施工

根據確定的最終施工方法，優質、快速、經濟地完成工程施工任務。

2.1.5 運行監測

在設備運行過程中，現場實地監測設備的運行情況，非汛期和汛期抽排水強度監測。根據壩體填筑的進度，及時對管路的保護、修復和線路調整進行監控。

2.2 采取的主要措施

2.2.1 組織與人員保證

從課題申報起，由中電建12.5聯合體組成了課題組，并有明確的任務分工和過程目標考核要求。

2.2.2 強化過程管理

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間全面展開，提出了“以過程控制，實現管理目標”的理念，并貫穿于課題研究的全過程。

2.2.3 儀器設備等硬件保證

將所有科研儀器設備和場地條件優先滿足課題研究之需，并根據試驗需要，及時新購置設備及配件等。

2.3 實施情況

2.3.1 泵站的階段性設計與布置

根據地形規劃，基坑抽排水總體方案采取點對點分散導排和集中泵站抽排兩種形式。結合大壩施工的不同階段，分期形成泵站，并根據不同施工階段分步設置。

泵站設計共分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，降低水位便于設備進入基坑進行覆蓋層開挖。分別在上游圍堰區域布置了6臺37kW潛水泵進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外；在下游右岸挖集水坑，布置了一臺220kW離心泵進行下游河床積水抽排，采用預埋鋼管穿越下游低堰至壩區外。

2)二期泵站：二期施工時段為基坑開挖階段，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，不利于設置集中抽排水泵站。根據實際地形，那里有凹坑積水區就點對點設置潛水泵，并根據基坑開挖道路的變化及時挪動抽水泵。所有導水泵將河床基礎積水導致上、下游布置的臨時集水坑后，再從布置在上、下游的管路統一抽排至壩區以外。

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

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

2.3.2 管路的設計與布置

排水管線布置原則是避開干擾、降低揚程、縮短管路。由于受兩河口河床基礎地形約束，因此基坑排水管路分別向上游和下游壩殼區布置。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翻越下游圍堰堰頂2618m高程至下游壩區外。

上、下游泵站的主排水DN350mm鋼管分別布置在壩內2620m高程和2618m高程，埋設于堆石區內，管周鋪設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鋼架支撐管道爬升至2620m高程水平鋪設至上游圍堰外；下游管路沿左岸坡經下游堆石區架設穿越下游圍堰外。局部采用型鋼支撐系統，水平鋪設時采用漿砌石墩穩固。每道排水管路上均分級布置逆止閥。

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

2.3.3 浮船的設計與應用

浮船尺寸13m×3m×1m(長×寬×高)，可并排安裝4臺排水泵，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水位的升高與降低導致的浮船傾斜。浮船的利用，有效的避免了因長時間停電或管路故障引起的泵坑內水位上升而導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

兩河口工程施工區范圍內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，使得基坑泵站運行負擔小。

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施，由于截水溝施工長度有限，并未將岸坡的截水排至壩區外，而只是將水導排至了壩區的溝壑內流至基坑。通過排查，聯合體對兩岸坡的截水溝端頭進行了封堵，將溝內截水通過架設的引排管路引至壩區外。右岸2785m平臺廢水及截水溝溝水通過連接引水管路將水引排至阿農溝排水洞排走,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排水溝排出。

2)流水溝壑截排措施：

阿農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。所以在阿農溝溝口部位修筑了擋水堰并埋設排水管路將溝水引排至下游圍堰以外，保證了阿農溝溝水不進入基坑。

慶大河在大壩標進場前已由其他標段修筑攔河大壩并打通一條往上游引排的排導洞。將慶大河水全部通過引水洞排導至上游雅礱江。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，整個壩基呈“凹”型地形，上下游壩殼區基坑比心墻基礎高，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面的滲流水。

2.4 主要研究成果

根據2016年汛期基坑抽排水的情況，不斷總結，為2017年汛期基坑度汛奠定了基礎。通過前期研究成果總結，后期從如下方面進一步改進加強，從而確保了本工程安全度汛施工。

1)總結前期抽排水施工經驗和水量數據分析。

2)提前規劃：在下一汛期設施前，提前對周圍環境及地形進行排查，對有可能的滲水點進行截排處理。

3)施工方案和工藝的更新。

4)現場施工管理安全、質量控制：①成立泵站運行及用電專業操作班子，施工前進行系統專業培訓，持證上崗；②吊裝及焊接施工嚴格執行規程；③設備、材料的采購必須保質保量，嚴禁采購偽劣產品；④做好設備及管路運行期的維護管理；⑤安排專人對水泵的運行功效進行監控并記錄；⑥加強氣象監測和氣象預報；⑦重點做好壩體填筑過程中管路的保護及后期回填工作。

3 結 論

兩河口水電站大壩基坑排水順利運行，經過了圍堰施工、廊道開挖及澆筑、心墻填筑基坑最低控制水位等關鍵時段排水期考驗，實踐證明排水方案設計合理、可行。總結大型深基坑、高揚程排水特點，實踐經驗主要有以下6個方面主要因素：

1)注重排水分期規劃。排水分期與施工進度相協調，根據各階段施工任務逐步建設排水系統，做到排水與施工有序進行、排水能力滿足階段需要、排水系統避免重復建設。

2)有效的截排措施。通過對岸坡的徑流水及溝壑流水進行截導排，大大減小了基坑抽排水強度。降低了水泵負荷。減小了設備配置數量和用電附屬配置等。有效節約了成本。

3)大型深基坑排水應推廣使用浮船技術。對比使用固定泵臺與浮船兩種方案，浮船方案具有吸程穩定、效率高、布置方便、避免反復吊裝水泵等明顯優勢。雖然開始使用時存在隨水位上升浮船偏斜的問題，但對水泵進、出水管的構造稍做改進就得到解決，運行正常。

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，汛期最大抽排負荷時水泵銘牌功率2860kW。在配置備用電源時，充分考慮啟動功率高于運行功率的特點，配置備用電源總容量要>水泵正常運行時的用電負荷，以提高保證率，確保水泵啟動及運行正常。

5)反向排水系統的應用。為防止上游壩殼區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穿越埋設了兩根350mm的排水鋼管。反向排水管布置在2621m高程，當上游基坑水位超過2621m高程時，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度，減少了抽排系統配置，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鋼筋籠圓桶形管形成管井，管井適用于非汛期小滲流量時期使用，管井直徑為1m，占地面積小，碾壓施工設備在壩面運行方便，有利于壩體快速上升，也很好的控制了水位。