长河坝水电站基坑排水设计与施工.pdf

i 水利水 电施工 2 0 1 3 第 4期 总第 1 3 9期 长河坝水 电站基坑排水设计与施工 磐薛 凯 李二伟／ ( 中国水利水电第五工程局有限公司) 【 摘 要】 长河坝水电站大坝坝高2 4 0 m，基坑上下游接近 1 0 0 0 m，面积接近 2 0万 r n ? ，其排水具有面积大、排 量大、扬程高的特点。基坑排水与坝肩开挖 、大坝填筑同步进行，方案设计与实施难度大。针对上述特点与难 点，长河坝水电站大坝基坑排水采用浮船排水方案，成功地解决了上述难题。本文简要介绍基坑排水实施方案 要 点及 经验 总结 ，可供 同类工程借 鉴 。 【 关键词】 长河坝水 电站 大流量 高扬程深基坑排 水设计施 工 1 工程概况 长河坝水电站位于四川 I 省甘孜藏族 自治州康定县境 内，为大渡河干流水电梯级开发的第 1 O级电站，工程区 地处 大渡河 上游金汤河 口以下约 4 ~7 k m河段上 ，坝址 上 距 丹巴县城 8 2 k m，下距 泸定 县城 4 9 k m。大 渡河 为不 通 航河流，工程区距铁路线较远 ，公路有省道 S 2 1 l 线从工 程区通过，并在瓦斯河口与国道 G3 1 8线相接，可较方便 地连接外 围交通 干 道及 大 、中城市 ，交通 较 方便 ，周 边 有成都、眉山、雅安及乐山等重要城市。大坝最大坝高 2 4 0 m，坝顶高程 1 6 9 7 m，坝基高程 1 4 5 7 m，坝基覆盖层 深约 5 0 m。 坝区地下水可分为第 四系松散堆积层孔隙水和基岩 裂隙水两种类型。地下水均受大气降水补给，向河床排 泄。河床漂卯砾石具强透水性，岸坡弱风化上段强卸荷 岩体一般具强～极强透水性，弱风化下段弱卸荷岩体具 中等～强透水性，微新岩体具弱微透水性。工程区多年 平均年 降水量一般仅 6 0 0 ~7 0 0 mm，流域 内降水量 主要集 中在 5 ～ 1 0月。 长河坝水 电站大 坝工 程 于 2 0 1 0年 1 O月 截流 ，2 0 1 1 年 5月围堰完 工 ，2 0 1 1 年 8月 开始进入 基坑 开挖 ，2 0 1 2 年 5月下游堆石区开始填筑，2 0 1 2年 1 1 月大坝防渗墙施 工 完成 。计 划 2 0 1 3 年 4月开始心墙填筑 ，2 0 1 6年 5 月 大 坝填筑到顶 。 长河坝基坑 排水 自 2 0 1 1年 5月开 始 ，预 计 2 0 1 3年 6 ～8月结束，具有排水历时长、流量大，保证率要求高 的特征，与国内同类型工程相比，基坑排水量数十倍增 28 加，带来了排水方案设计难度，同时长河坝水电站大坝 规模与施工特点对基坑排水提出了更高的要求，其排水 方案设计必须满足主体工程施工的要求。 2 排水难点 与阶段划分 根据长河坝土石坝工程施工特点 ，进行排水难度分 析及 阶段划分 。 2 ． 1 难点 2 1 ． 1 扬程高 大坝心墙建基面高程 1 4 5 7 ． 0 0 m，根据设计技术要 求 ，须将水位控制在高程 1 4 5 5 ． 0 0 m以下。本工程围堰为 5 O年 一 遇 洪 水 标 准 全 年 嗣 堰 ，上 游 周 堰 顶 高 程 1 5 3 0 ． 5 0 m，下游围堰顶高程 1 4 8 6 ． 0 0 m，基坑最大深度达 7 7 m。根 据实际情 况及排 水难 度 ，选取 向下游 嗣堰 排水 ， 地 形扬 程 3 3 m。 2 1 2 流量大 、范 围广 基坑上 、下游围堰间距约 1 0 0 0 m，基坑 面积近 2 O 万 m ，理论预计渗水量为 3 0 0 0 m 。 ／ h ，施工实际渗水量最高 达到 1 2 0 0 0 m。 ／ h 。 2 ． 1 3 布置难度 大 基坑排水期间，与左右岸高边坡支护开挖、盖板混 凝土施工及坝肩灌浆平洞开挖存在交叉施工，集水坑与 管线占据坝体填筑位置，坝体填筑过程中相互干扰。 2 ． 2时段划分 结合大坝施工进度总体安排 ，基坑排水划分为四个 阶段 ： 第一阶段 ：基坑开挖期排水。 第二阶段 ：基础处理、先期断面填筑期排水。 第三阶段：廊道、刺墙混凝土浇筑期排水。 第 四阶段：大坝心墙区填筑期排水。 3 排水 量 3 ． 1 初期排水 基坑初期排水包 括围堰封闭后基坑积水、地基渗 水、降雨汇水。初期排水时间为 2 0 1 2年 8月 ，排水历 时按 7 d考虑 ，水位降速小于 1 ． 5 m／ d ，估算基坑内积水 约 1 8 0 0 0 0 m。 ，上、下游围堰渗水约 8 0 0 m3 ／ h ，再考虑降 雨 因素 ，初期排水强度为 2 2 4 5 m3 ／ h 。 3 ． 2 经常性排水 3 ． 2 ． 1 理论计算 经常性排水包括 围堰与地基渗水、降雨汇水、施工 废水 ，计算时降雨与施工废水不叠加。在方案设计阶段， 围堰与地基渗水量采用单宽渗流量法进行理论计算，并 结合类似工程 中的经验修正 ，算 出基坑最深时在汛期的 最大渗水量约 1 0 0 0 m3 ／ h 。根据气象资料 中 日最大降雨 量、基坑汇水面积内 1 d降雨汇水量，当天排干的强度约 2 0 0 0 m3 ／ h 。按渗水与汇水叠加出基坑经常性最大排水强 度为 3 0 0 0 m3 ／ h 。 3 ． 2 ． 2 试抽修正计算 2 0 1 1 年 8月 至 2 0 1 2年 5月 期 间基 坑 实 测最 大排 量 7 7 7 6 m。 ／ h ，远大于理论计算量，需根据试抽成果进行修 正。修正方法：以某月份的排水实测值及上 、下游水位 差为基准，根据达西定律建立对应变化关系 ，从而推算 围堰外 不同水位对应 的基坑排水强 度。 某月实测上游排水强度 ( 2号泵站)为 Qc ，下游排 水 强度 ( 1 号泵站 )为 Q c T，对应 基坑 内控制 水位 H 排 ， 上 、下游 围堰 外 水位 分别为 Hc 、 f，△ H吐一Hc~一 i石坝l程诱I专辑 # ，△ H F —H f 一 } 。假定上游排水量 Q c 与上游 围堰 外水位 H t 、下游排 水量 Q c V与下游 围堰外 水位 H _ F 分 别具有对应关系。推算步骤如下 ： ( 1 )取得试 抽相关水 头差 、流量资料 。 ( 2 )根据水文资料查取某月在选定洪水频率下对应河 道流量，并依据导流洞的泄流曲线查知上游围堰水位 H_匕 和下游围堰水位 HF。 ( 3 )计． 算水头差： 一 } ，△ HF —HF 一 } 。 ( 4 )计算上游排 水强度 ：Q f ／ △ H吐一QE ／ △H ，则 Q} 一Q 止／ △ H吐 △HL ( 5 )同理 ，计算下游排水强度 QF —QT ／ △ Hc _F A ir -／ 7 ： 。 ( 6 ) 基 坑排水强度 Q—QE +Q T - 。 试抽修正计算为 2 o 1 2年 6 ～1 2月的排水强度与实测 排水强度对 比 ( 见 图 1 ) 。 1 2 1 91 入 1 1 6 5 1 f 、 t ／ ， 、 ． ’l 1 4 0 7、 、 - 0 s ，／ l 0 1 2 3 、 0 1 8 1 一 一 3 2 、 ～ ． ． 一 。 l＼ 、、 1 8 9 8 2 5 x , , 2 o 1 3 6 月 7 月 8 月 9 月 1 0 月 1 1 月 1 2 月 2 01 2篮 一◆ 一 计算流量； + 实测流量 图 1 试抽计 算流量与实测流量曲线图 计算值与实测值较接近 ，具有一定相关性，最小误 差 1 ，最大误差 1 4 ． 3 。 3 2 ． 3 各 阶段 排水量 根据试抽修正计算 ，各阶段排水量见表 1 。 表 1 各阶段 排水量表 排水阶段 排水时段 ( 年．月) 计算最大排水量 ( m0 ／ h ) 实际最大排水量 ( m0 ／ h ) 备注 第一阶段 2 O 1 1 ． 8 ～2 0 1 2 ． 5 3 0 0 0( 初期 2 2 4 5 ) 7 7 7 6 理论、经验计算 第二阶段 2 O 1 2 ． 6 ～2 O 1 2 ． 1 1 1 1 4 0 7 1 2 1 9 1 试抽修正计算 第三阶段 2 0 1 2 ． 1 2 ～2 0 1 3 ． 3 9 6 1 8 8 7 2 8 试抽修正计算 第四阶段 2 0 1 3 ． 4 ～2 0 1 3 ． 9 8 7 0 3 试抽修正计算 4 排水 方案设计 4 ． 1 泵站设计与布置 基坑排水总体方案采取设置集中泵站抽排，结合大 坝施工的不同阶段，分期形成泵站，并根据不 同施工阶 段分步设置 。 泵站设计共分四期 ： ( 1 )前期泵站。布置在下游基坑，靠近下游围堰的中 部 ，主要 承担初 期排 水 和基 坑开 挖期 排水 。在下 游 嗣堰 上设集 水井 作为 前期泵 站 的配套 布置 ，从泵 站抽 排 到集 水 井后 自流排向大渡河 。 ( 2 )1 号泵站。布置在下游嗣堰右岸角，与 2 号泵站 共同承担下游堆石先期填筑及防渗墙施工的前期排水 ， 经堰顶直接抽排至大渡河 。当下游堆石填筑到 1 4 7 6 m时， 1 号泵站撤除并回填。 ( 3 )2号泵站。布置在心墙下游靠近右岸的过渡区 内，先与 1 号泵站共同承担下游先期填筑及防渗墙施工 2 9 咖 2 2 1 1 O 0 9 9 8 8 一 邑 删塘 水利 水 电施 工 2 0 1 3 第 4期 总第 1 3 9期 期排水，1 号泵站撤除后，与 3号泵站共 同承担廊道浇 筑、心墙填筑期的排水 。 当 3号泵站投 人运行前 ( 防渗墙封 闭前 ) ，心墙 上游 渗水通过两岸深排水明沟引向2号泵站抽排。 ( 4 )3号泵站。布置在心墙上游右岸边，防渗墙封闭 后承担上游基坑排水。 各泵站设集水坑、钢筋石笼砌筑、石笼外侧及坑底 铺土工布作反滤层。泵站采用同定泵台与浮船两种方案。 泵站撤除后，集水坑采用水泥拌级配料水下抛填，填出 水面后用 细堆 石料分层碾压填筑 。 4 ． 2 浮船设计与布置 浮船 尺寸 1 3 mX 3 m ( 长 宽) ，可并排 安装 4台排 水 泵，采用橡胶软管连接排水钢管与水泵，可避免因硬连 接而随着集水坑内水位的升高与降低导致的浮船倾斜。 浮船利用 2 号 与 3号泵 站 ，有效 地 避免 因长 时 问停 电或 管路故障引起的泵坑内水位上升而导致的水泵被淹等情 况 ，减少水泵坑对填筑的影响 。 4 ． 3 管线设计与布置 排水管线 布置原 则 是避 开干 扰 、降低 扬程 、缩短 管 路 。由于上游 基坑 上 、下施 工干 扰 大 ，管路 通 过 困难 ， 因此基坑排水管路全部布向下游，由于下游嗣堰顶高程 比上游闹堰顶高程低 4 4 ． 5 m，有效降低排水扬程，从而 减小排水 难度 ，节约能耗 。另外 ，导流 洞 支 洞 布置 在 大 坝右岸心墙下游侧 9 2 m高程，经分析 ，将 排水管经 支 洞穿 过堵 头 直 接 排 向 导 流 洞 内的 方 案 具 有 可 行 性 ， 这样布置管路的最大优点是线路短 ，并能避开岸坡危 岩体的影响 ，降低管路运行安全风险 。因此 ，基坑排 水管路总体分为两条路线 ，一 条是经下游同堰顶排向 大渡河，另一条是经支洞排向导流洞 内，具体线路见 图 2及表 2 。 图 2 排水平 面布置 图 表 2 排水 管路 分布表 编号 线路 主要管道 使用期 1 前期泵站一下游围堰集水井一大渡河 D N3 5 0 mm钢管 初期、基坑开挖期 1 号泵站一下游围堰顶一 + 大渡河 D N3 5 0 m m钢管 下游先期填筑、防渗墙施工 3 2号泵站一明沟一1 号泵站一下游围堰顶一大渡河 下游先期填筑、防渗墙施工 4 2号泵站一下游堆石体 1 4 6 2 m ~下游围堰顶一大渡河 D N6 3 0 mm钢管 防渗墙施工 、廊道浇筑 、坝体壤筑 5 2 号泵站一导流洞支洞一导流洞 内 D N 3 5 0 mm、DN 6 3 0 mm钢管 防渗墙施工、廊道浇筑 、坝体填筑 6 3号泵站 ， 心墙压板 1 4 8 5 m ~下游堆石体 1 4 8 6 m~下游围堰顶一大渡河 D N 6 3 0 r n m钢管 廊道浇筑、坝体填筑 2号泵 站和 3号 泵站 排 向下游 围堰 外 的 D N6 3 0 mm 钢 管 分别 布置 在坝 内 1 4 6 2 m 高程 和 1 4 8 5 m 高程 处 ，埋 没于一 F 游堆石区内，管周铺设 0 ． 5 m厚反滤料 。3号泵 站排水管跨 越心墙 区，为降低 管路 对压 板 混凝 土浇 n 筑 、压板灌 浆 、坝体填 筑 的干扰 ，顺右岸 坡 1 4 8 5 m 高程设钢架支撑管道 ，压板段采用型钢支架埋设在混 凝 土中，钢管高于混凝土表 面，坝壳段采用脚手架管 满堂支撑。当坝体填筑 到 1 4 8 5 m前 ，拆 除 3号泵 站 排 水 管 路 。 所有管路在空间转折点均设钢筋混凝土镇墩。为防 止突然停泵时的回水压力造成排水系统破坏，每道排水 管路上均分级布置逆止阀。 4 ． 4 地表水截排 左岸梆梆沟常年有水 ，沟口位于基坑 内，汛期流量 4 5 0 ~4 8 0 m3 ／ h ，暴雨时流量更大。沟水流向基坑不仅增 大排水负荷，同时也增加了暴雨时沟内发生泥石流对基 坑产生威胁。如将沟水引出基坑以外 自流排泄，既有利 于降低基坑排水压力，也有利于保 障施工安全。结合实 i石坝 I程施 T专辑 际地形条件 ，在沟内设置多级拦洪网和拦洪墙防泥石流， 并布置 1 ． 5 m2 ． O m 断 面的斜 井( 4 7 ． 7 5 。 ，长 9 7 ． 2 8 m) 将沟水引向交通洞内自流排向坝外 。 4 ． 5 设 备选 择 与配 置 排水泵选用原则是满足扬程 的前提下排量最大，经 下游 围堰 顶 的排 水 管路 地 形 扬程 3 1 m，考虑 水 头 损失 ， 水泵扬程达到 3 7 m满足要求 ；经导流支洞的排水管路地 形扬程 3 7 m，水泵扬程达到 4 4 m 满足要 求 。 基坑排水设备 均选 用单 级双 吸式 离心 泵 ，选 用型 号 与性能参数见表 3 。 表 3 排水泵型号与参数 ( 单级双吸式离心泵)表 型号 流量 ( m3 ／ h ) 扬程 ( m) 轴功率 ( k W) 配带功率 ( k W) 效率 ( ) 2 5 0 S 3 9 4 8 6 3 9 6 2 7 5 8 3 3 5 0 S4 4 1 2 6 O 4 4 1 7 3 2 2 0 8 7 ． 5 3 5 0 S 7 5 B 1 0 8 0 5 5 1 9 7 2 2 0 8 2 3 5 O S1 6 1 2 6 0 l 6 6 4 ． 5 7 5 8 5 ． 3 表 3中 3 5 0 S 1 6型低扬程泵用于第一阶段排水时分级 倒水 ，其他型号水泵均用于直排。 高峰排 水 时段 共 配 备单 级 双 吸 式离 心 泵 2 5台 ( 不含基坑内倒水设备) ，铭牌总功率 4 0 5 O k W，铭牌 总排量 2 0 5 5 6 m。 ／ h( 不 包 括基 坑 内倒 水’ 排量 ) ，备 用 4 0 。 4 ． 6 电 源保 障 基坑排水是基坑施工安全与防汛工作 的重点 ，必 须保 证 系统 在任 何 情 况 下 能 正 常 运 行 ，否 则 造 成 的 经 济与工期损失无法估算 。供电保证是系统运行的关键。 施工过程中电源保障规划分 系统用 电与备用 电源两个 方 面 。 ( 1 )运行过程中，配备专业人员对供电线路、供电设 备检修与维护 ，同时接入不同高压线备用。 ( 2 )备用电源采用柴油发电机 ，共配备 7台，总功 率 3 6 0 0 k W 。 5 结束 语 长河坝水 电站 大坝 基坑 排水 系统 已经顺 利运 行 了近 两年时间，经过了防渗墙施工 、廊道浇筑、廊道填土等 基坑最低控制水位等关键时段排水期的考验。实践证明， 排水方案设计合理、可行。总结大型深基坑 、高扬程排 水特点，主要有以下几个方面的因素： ( 1 )注重排水分期规划。排水分期与施工进度相协 调，根据各阶段施工任务逐步建设排水系统，做到排水 与施工有序进 行 、排 水能 力满 足 阶段 需要 、排水 系 统避 免重复建设。 ( 2 )考虑工程实 际条件 ，选 择 向下 游排水 方 案合 理。 上游泵站的管路排向下游虽跨越心墙区增加了管道布置 的难度和安装工作量 ，但合理避开了上游两岸开挖向基 坑内掀渣的干扰，确保排水系统近期运行。另外 ，排向 下游比排 向上游可降低扬程 4 4 ． 5 m，既减小排水难度， 又节约排水用 电。 ( 3 )支洞内布管向导流洞排水节约成本，思路新颖。 从导流洞施工 支洞 内布置 排水 管路 ，并 穿 过堵 头直 接排 向导流洞 内的最大优点 是线路短 、干扰小 、投入运行 快 ， 虽从理论上分析可行 ，但没有先例，尤其担心导流洞满 洞过流工况下 排水 系统 的安 全 问题 。通过 实践 证 明 ，方 案合理可行，值得推荐。 ( 4 )试抽修正计算排水流量方法精度高，具有实践指 导作用。基坑经常性排水量的理论计算相 当复杂，而且 计算结果与实际情况相差甚远，难以指导排水系统的建 设。试抽修正计算法操作简单，实测一组或几组排水量 及对应实测的水位，根据达西定律建立两者的简单线性 关系，从而推求不同时期的排水量，其结果与实测值误 差小 ，指导作用明显 。 ( 5 )大型深基坑排水应推广使用浮船技术 。对 比使用 固定 泵台与浮船 两种 方案 ，浮船 方案 具有 吸程 稳 定 、效 率高、布置方便 、避免反复吊装水泵等明显优势。虽然 开始使用时存在随水位上升浮船偏斜的问题，但对水泵 进 、出水 管的构造 稍 做改 进 就得 到解 决 ，运行 正 常。浮 船排水方案具有保证率高、经济、施工方便 的特点 ，具 有在类似工程中推广应用价值。 ( 6 )大型深基坑排水必须保证 1 0 0 备用电源。长河 坝基坑排水过程中，备用电源功率为 3 6 0 0 k W，汛期最大 抽排负荷时，水泵铭牌功率 2 8 6 O k w。在配置备用电源 时，充分考虑启动功率高于运行功率的特点，配置备用 电源总容量要大于水泵正常运行时的用电负荷，以提高 保证率，确保水泵启动及运行正常。 3 1