英布鲁水电站枢纽施工导流与基坑排水.pdf

2 0 1 1 年 第 3 0卷 第4期 D WR H E 水利 水 电工程 设计 3 9 英布鲁水电站枢纽施工导流与基坑排水 赵 立 民王立选赵永财 摘要英布鲁水电站坝址为巨厚软弱砂岩地层，透水性强。施工导流设计中，对围堰防渗形式及基坑排水方案通 过二维渗流和三维流场计算分析确定。基坑排水过程中发生渗透破坏、水量增大现象，采取堵漏截渗措施实现了混 凝 土干地施工。 关键词 施工导流 防渗 基坑排水 英布鲁水电站 中图分类号T V 5 5 1 文献标识码B 文章编号 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 0 3 9 - 0 4 英布鲁水电站工程 ，位于刚果共和国刚果河支 流莱菲尼河下游 ，距莱菲尼河 口 1 4 k m。枢纽工程 总库容 5 8 41 0 8 m 3 ，装机容量 1 2 0 MW，大 ( I) 型工程 ，永久性主要建筑物按 1 级建筑物设计。拦 河枢纽主要由土坝 、泄水闸、电站厂房组成 ，坝顶 全长 5 8 1 m，最大坝高 3 2 5 m。 7 6 6 m 3 s 时，上、下游围堰堰前水位分别为2 9 2 5 4 m和2 9 1 4 7 m ，相应堰顶高程为 2 9 4 0 0 m和2 9 3 0 0 m ，二期纵向围堰顶高程为 2 9 4 O 0 m 。二期导流布 置见 图 1 。 二期导流期末，待河床土坝基本建成并具备挡 水条件后，封堵临时导流底孔， 拆除下游围堰。 1 施工导流标准 3 导流建筑物设计 根据永久建筑物级别，导流建筑物定为 4级。 导流挡水建筑物采用土石结构，选定导流建筑物设 计洪水标准为 2 0年一遇 ，相应洪峰流量 7 6 6 m 3 s 。 2 施工 导流方案 坝址处河床宽 8 01 1 0 m，河床高程约 2 8 5 i n ， 平水期水面高程 2 9 0 m左右。河床两岸为漫滩 ，右 岸滩地宽大 多在 1 5 0 m左 右 ，最 大宽度约 3 0 0 m； 左岸滩地宽约 5 0 m 。滩地高程 2 9 0 2 9 3 m ，滩地 外侧为较平缓的山坡。根据坝址地形条件，结合枢 纽布置，拦河枢纽施工采取分期导流方式。 一 期导流：河水通过原河床下泄，施工位于右岸 滩地的泄水 闸、电站厂房、右岸土坝及二期纵向围 堰。由于滩地前沿高程较低， 需在河床岸边填筑挡水 围 堰； 河床通过设计洪水时坝址上下游水位分别为 2 9 1 6 0 in 和2 9 1 4 7 m ，一期围堰顶高程 2 9 3 0 0 m 。 二期导流 ：当泄水闸、厂房和二期纵 向围堰具 备过流挡水条件后，挖除引水渠进 口 及尾水渠出口 围堰及岩坎，进行河床截流，河水通过泄水闸永久 底孔和临时导流底孑 L 下泄，在二期围堰的保护下进 行河床土坝施工 。临时导流底孔设在泄水闸表孔坝 段，尺寸为 1 0 m 7 m ；永久底孔 2 孔，布置在临 时底孑 L 两侧，单孔 7 m7 m 。通过导流设计流量 3 1 坝 区地质 坝区地处巴泰凯高原，为巨厚陆相沉积地层。坝 址两岸坡地及 以上均覆盖有第三系砂壤土和中细砂； 两岸坡脚及滩地、 河床， 覆盖有第四系砂壤土和中细 砂夹卵砾石；覆盖层以下为白垩系软弱砂岩 ，岩层产 状近水平，裂隙不发育，胶结不良，强度低， 孔隙 大 ，透水陛强，该层河边水面附近有出露，坝区勘探 深度 1 13 0 in 未予揭穿，根据岩体工程地质特征，可将 其自上而下分为 3 层： ( 1 )薄层软弱砂岩 ( K 2 ) ， 厚度大于 1 5 1T I ， 胶结程度较差， 表部风化严重， 渗透 性相对不均 匀，渗透 系数大多为 1 8 51 0 I 2 c m s ； ( 2 )中厚层软弱砂岩 ( K 2 。 ) ，厚约 1 0 m ，胶结程度 相对较好，岩体相对密实完整，渗透性匀一， 渗透系 数约为 1 3 0 1 0 - 2 c m s ；( 3 )薄层软弱砂岩 ( K 2 i 。 ) ， 深度未揭穿，胶结程度差，质地松软，岩体普遍为强 透水， 透系数一般为2 5 5 1 0 c m s 。 岩体水平向渗透性较强，而层间渗透性存在差 异，局部表现出相对较明显的承压性；部分弱钙质 胶结的松软砂岩存在渗透变形问题，临界水力比降 值大致在 0 6 0 9 之间；河道两岸地下水补给源 丰富、稳定 。 3 2 一期围堰设计 一 期围堰沿河道右岸岸边布置 ， 堰顶高程 4 0 水 利水 电工程 设计D WR _H E 2 0 1 1年 第3 O卷 第4期 图 1 二期导流平面布置图 2 9 3 0 m ，最大堰高 3 m，全长约 l 0 0 0 m ，均质壤 土围堰 ，编织袋土护坡 ，围堰顶宽 3 m，边坡 1 ： 2 。 堰基为河漫滩，上覆冲积中细砂夹卵砾石，厚 1 5 m ，渗透系数 5 4 41 0 I 4 e m s ；其下为白垩 系砂岩，透水性强。由于围堰沿河边布置，无法在 河道动水中填筑防渗铺盖。对于灌浆帷幕防渗方 案，通过二维渗流计算对防渗效果进行了分析，主 要计算参数 ：河水位 2 9 1 5 m，基坑水位 2 6 6 7 m； 帷幕厚2 0 m，渗透系数 11 0 I 6 e m s ；堰基砂岩 渗透系数 2 5 5 x 1 0 c m s ，无相对隔水层。计算 结果见表 1 。 表 l 一期围堰不同工况渗流计算 根据计算结果分析， 堰基无相对隔水层， 且基坑 深度较大， 悬挂式帷幕防渗效果较差， 因此， 一期围 堰堰基不设防渗帷幕。 3 3 二期围堰设计 3 3 1 上游 围堰 二期上 游 围堰设 计水位 2 9 2 5 4 m ， 顶 高程 2 9 4 0 0 m， 顶宽 1 8 0 m， 最大堰高 9 0 m ， 土石结构， 壤土斜墙加水平铺盖防渗， 堰体背水坡 1 ： 1 5 ， 迎水 坡1 ： 4 5 ； 围堰基础面水平防渗长度 4 0 m( 含斜墙 段) ， 其中铺盖长 2 7 m， 厚 2 3 m， 斜墙及铺盖表面 采用编织袋土压编织布软体排防护。 堰基河床上覆冲积中细砂夹卵砾石厚 02 m， 其下为白垩系砂岩， 透水性强。为合理确定水平防 渗长度 ， 进行 了二维渗流有限元计算分析 ， 主要计算 参数 ： 河水位 2 9 2 5 4 m， 基坑水位 2 8 1 7 0 m， 斜墙及 铺盖渗透系数 1 1 0 e m s ， 堰基砂岩渗透系数 2 5 5 1 0 e m s 。计算结果见表 2 。 表 2 二期 围堰不 同工况渗流计算 根据计算结果分 析，水平 防渗长度 4 06 0 m 渗流量变化不大 ，选定水平防渗长度 40 r l l 。 3 3 2 下游围堰 二期 下 游 围 堰 设计 水 位 2 9 1 4 7 m，顶 高 程 2 9 3 0 0 m，顶宽 1 3 0 m，最大堰高 8 0 m。围堰结 构同上游围堰。 3 4 施工过程中围堰断面的调整 工程施工过程中，根据现场情况及施工条件 ， 对二期上 、下游 围堰断面进行了一些调整。上游 围 堰基本按原设计结构进行施工 ，但根据现场施工设 备条件，上游铺盖采取了在水位以上进占填筑方 式，使河床中部铺盖厚度增加至7 1 7 6 m；下游 围堰堰体则直接采用防渗土料填筑，堰体直接起到 水平防渗作用，取消了防渗铺盖。 赵立民等 英布 鲁水 电站 枢 纽施工 导 流与基 坑 排水 4 基坑排水 4 1 基坑渗流计算 一 期基坑位于河床右岸滩地，基岩顶面高程 2 8 8 2 9 5 m，河水位 2 9 1 5 m ，河岸地下水高于河 道常水位， 基坑水位要求控制在 2 6 6 7 m以下，降 水深度 2 4 8 m 。二期基坑位于主河床，上游水位 2 9 2 4 0 m，下游水位 2 9 1 4 0 m，基坑 内水位 2 8 1 7 0 m，降水深度 l 0 7 m。 渗流计算采用三维有限元方法模拟基坑几何形 状和防渗排水系统，对不同排水形式、排水井位 置、井间距等进行了计算分析： ( 1 )一期基坑。采取排水沟单一排水形式可 使基坑底面不被渗水浸没，但岩体中地下水位较 高，泄水闸 2 7 7 m建基平台 ( 闸底板)出现外渗； 在围堰顶部打少量排水井强迫降水 ， 仍不能完全 解决 2 7 7 m平 台外 浸 ，将 井位移 至基坑 2 7 7 m平 台，基本可以解决内坡段外渗，井间距越小，效果 越好 ；排水井沿厂房基坑坡脚附近设置 ，泄水闸 侧布置于2 7 7 m建基平台，降水效果较好，渗流量 大部分 由井抽 出，一部分由排水沟汇集后排出 ，计 算渗流总量4 5 2 0 m 3 h( 2 2眼井 + 排水沟，砂岩渗 透系数 1 8 1 0 I 2 c m s ) ；某些部位最大渗透坡 降值超过允许渗透坡降，但范围较小，主要出现在 内部和排水井附近，只要采取必要的反滤措施，岩 体边坡发生渗透破坏的可能性较小。 ( 2 ) 二期基坑。从三维渗流场计算结果看， 采取排水沟单一排水形式 ，可使基坑建基面不被渗 透水浸没，但围堰水平防渗的设置是必需的；砂 岩渗透系数取 1 8 51 0 c m s ，基坑渗水量 为 3 3 6 0 m3 h ，渗透系数取 2 5 5 1 0 。 c m s ，渗水量 为 4 3 1 5 m 3 h ；地层局部最大渗透坡降值超过允 许渗透坡降，主要出现在内部，且非集中出现，岩 体边坡发生渗透破坏的可能性较小。 4 2 排水设计 根据渗流计算，一期基坑渗水量取为 4 6 0 0 m 3 h ，二期基坑取为 3 7 5 0 m 3 h 。考虑井点布置 因 素并计人降雨量后，一期基坑排水按 5 4 0 0 m 3 h 设 计，二期基坑排水按 4 5 0 0 m 3 h 设计。 一 期基坑 ：采用井排与明排结合方案。在厂房 和泄水闸基坑四周坡脚附近设 2 2眼管井，井间距 l 5 2 0 n l ，井底高程 2 5 5 m，井径 6 0 c m ，单井抽水 量 2 0 0 m 3 h ，配潜水深井泵，总计井排抽水 量 4 4 0 0 m 3 h ；在基坑 内设 1 m深排水沟 ，沟 内渗水 汇至集水坑后排出，配流量 1 5 0 m 3 h 离心泵 2台， 1 0 0 m 3 h离心泵 7台 ，明排抽水量共1 0 0 0 m 3 h 。 二期基坑 ：采用明排方案。基坑 内设 1 m深排 水沟，沟内渗水汇至集水坑后排出，排水设备主要 利用一期设备，另配2台流量 2 5 0 m 3 h 离心泵。 以上排水设备配置均不含备用水泵。 4 3 基坑排水的实施 4 3 1 一期基坑排水 一 期基坑降排水分两个阶段实施， 第 1 阶段将 基坑水位控制在 2 6 6 7 m以下，保障厂房建基面 2 6 7 0 m高程以上建筑物的施工；第 2阶段将安装 间集水井基坑水位控制在建基面 2 6 2 5 m以下，浇 筑集水井 、安装间和 l 机组厂房 。 第 1 阶段基本按原设计实施，共布置 1 8 眼井， 井底高程 2 5 6 m，每眼井配流量 2 4 0 m 3 s 的深井 泵 ，同时在基坑 内设 置排水沟和集水坑进行明排 。 基坑降排水基本达到了预期效果，2 4 机组段 基坑开挖结束后较顺利的转入混凝土浇筑。 第 2 阶段初期，在集水井基坑内、外共布置水 泵 2 3 台，实测排水流5 4 0 0 m 3 h ，水位未能降至建 基面 2 6 2 5 m以下 ，集水井基坑下部开挖采取水下 开方式完成。由于高程2 6 5 m以下岩体 ( K 卜 )结 构较为疏松、透水性强，集水井周边水位较高，基 坑水位迟迟不能降至建基面以下，混凝土浇筑无法 进行，加上开挖卸荷等因素的影响，在渗流的长时 间作用下，渗流通道不断加大，基坑渗水量明显增 加。最终在基坑周边节理层形 成多处集 中渗流通 道 ，其中两处节理层掏蚀严重，形成空洞；由于节 理层近水平，原深人下部强透水层 ( K )的几 处排水井井水 补给节理层 ，进 步加大 了渗流补 给。 第 2阶段后期，针对上述情况采取了先堵漏截 渗， 再加大排水设备容量集中排水措施。首先采用 高锰酸钾查找与集中渗透通道连通的排水井 ，通过 排水井向渗漏通道 ( 空洞)内回填级配碎石， 并在 基坑内对渗漏通道出口用钢筋石笼进行封堵 ，防止 碎石流入基坑 ；然后在基坑外沿 注浆形成阻水帷 幕， 并对碎石及节理层起到固结作用。后期排水在 集水井基坑外围深井内布置 2 1 台流量 2 4 0 m 3 h的 深井泵，在基坑下游坡脚布置集水坑，安装9台流 量 2 1 0 m 3 h 长轴泵和 l 0 台潜水泵明排，实测最大 排水量 7 6 8 8 m 3 h ，随着渗透半径的扩大，水位稳 定在 2 6 3 0 m以下，在基坑底部回填部分混凝土 后，使集水井结构混凝土干地施工。 水利 水 电工 程设 计D WR H E 2 0 1 1 年 第3 0卷 第4期 4 3 2 二期基坑排水 二期基坑排水基本按原设计采取明排方案 ，基 坑内设排水沟，沟内渗水汇至集水坑后排出。实际 排水量 ( 渗流量)约 l 1 0 0 m 3 h ，而渗流量计算值 为3 3 6 0 m 3 h( 渗透系数1 8 5 X 1 0 - 2 e m s ) ，分析其 原因 ，除围堰铺盖加厚减小渗流量外 ，由于二期基 坑较浅，处于 K 2 0 岩层，而基坑渗流计算中按均 一 岩体未考虑垂直渗流差异，尤其 K 2 i 。 岩层 ( 渗 透系数1 3 0 X 1 0 I 2 c m s )的作用，使得渗流计算值 偏大。 5结语 ( 1 )从本工程一期基坑渗流计算分析看 出，对 于无相对隔水层的强透水地层 中的深基坑，采取悬 挂式垂直防渗阻水效果不佳；二期基坑水平铺盖防 渗效果明显。 ( 2 ) 对于强透水地层，采取深井降低基坑外围 地下水位是有效的方法 ，但应注意地层不 同位置 、 不同深度上渗透性差异，重视揭穿富水区和深层强 透水地层带来的危害性。 ( 3 )对于弱胶结强透水软弱砂岩，排水井 内应 做好反滤 ，基坑下部揭穿的软弱节理 、断层等强透 水构造，必要时可在基坑周边预先做好 固结处理 ； 排水设备容量要留有余地、一次到位，保障基坑开 挖和基础混凝土浇筑顺利进行，尽可能缩短高水头 下的排水时间，减少渗透破坏的发生 。 作者简介 赵立民 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责 任公 司 天津3 0 0 2 2 2 王立选男 教授级高级工程师 中水北方勘测设计研究 有限责任公司 天津3 0 0 2 2 2 赵永财 男 高级工程师 吉林省水务投资集团有限公司 吉林长春1 3 0 0 6 1 ( 收稿 日期2 0 1 1 0 91 3 ) ( 上接第 3 8页) 层较厚，且越向山体内厚度越大，对砂壤土的防渗 需要较深的帷幕。从右、左岸坝肩防渗帷幕的效果 看 ( 计算工况包括 自坝端开始，深入山体 5 0 ， 1 0 0 ，1 5 0 m，底高程为2 7 0 m ) ，防渗帷幕的作用不 明显，绕坝渗流量变化不大，仅比不设防渗帷幕的 情况减少 1 。 设计采用的坝肩防渗是 ：利用砂壤土覆盖层的 “ 铺盖”作用，以铺盖防渗为主，使河床铺盖、岸 坡铺盖等防渗措施与山体砂壤土覆盖层形成一个完 整的铺盖防渗系统。计算显示，在铺盖防渗系统完 整的前提下，在左岸下游距坝肩轴线 6 0 0 多 m的岸 坡处会发生出逸现象 ，在左右坝肩的岸坡下游设置 了贴坡反滤层保护。 右岸厂前区大部分在河岸砂壤土覆盖层中开挖 形成，水库蓄水后，在绕坝肩渗流的影响下， 靠近 岸边的部分将被渗透水浸没。由于厂区平台的宽度 较大，利用自 然排水无法保证厂区平台不受浸没影 响， 设计在右岸厂前区岸坡沿上下游方向设置排水 盲沟，沟深2 5 m ，P C 花管排水。外围采用透水反 滤料填筑， 保证右岸厂前区不被渗透水浸没影响。 5结语 英布鲁水电站特殊的地基条件，使得通常在基 岩地区采用 的防渗 、排 水和基础处理措 施都不适 用。设计通过灌浆试验和渗流分析研究，土坝采用 心墙与上游内铺盖相结合形成坝体与基础防渗体 系，泄水闸及河床电站采用上游设混凝土防渗护坦 防渗，左右坝肩的岸坡采用贴坡防渗铺盖形成枢纽 整体的上游防渗体系；在下游设置反滤层和排水管 替代坝基排水孔幕 ，形成了枢纽有效 的防渗和排水 保护体系。施工中采用基坑表面设置纵横排水盲沟 和撒泼水泥浆与基础面松散砂结合形成了砂浆保护 层的措施，对基础建基面形成了有效保护。 目 前工程蓄水到达正常高水位，各项观测数据 显示建筑物渗流及变形正常 ，建筑物处于安全运行 状态。 作者简介 席燕林男 教授级高级工程师 中水北方勘测设计研究 有限责任公司 天津3 ( 2 2 庞书聪 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责 任公司 天津3 ( 10 2 2 2 许冬语女工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公 司 天津3 0 0 2 2 2 ( 收稿 日期2 0 1 1 0 9 0 2 )