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

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14 km。枢纽工程总库容5.84×108m3,装机容量120 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581 m,最大坝高32.5 m。

1 施工导流标准

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20年一遇,相应洪峰流量766 m3/s。

2 施工导流方案

坝址处河床宽80～110 m,河床高程约285 m,平水期水面高程290 m左右。河床两岸为漫滩,右岸滩地宽大多在150 m左右,最大宽度约300 m；左岸滩地宽约50 m。滩地高程290～293 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291.60m和291.47 m,一期围堰顶高程293.00m。

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孔下泄,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10 m×7 m；永久底孔2孔,布置在临时底孔两侧,单孔7 m×7 m。通过导流设计流量766 m3/s时,上、下游围堰堰前水位分别为292.54 m和291.47 m,相应堰顶高程为294.00m和293.00 m,二期纵向围堰顶高程为294.00 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。

3 导流建筑物设计

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,透水性强,该层河边水面附近有出露,坝区勘探深度100m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 (),厚度大于15 m,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1.85×10-2cm/s；(2)中厚层软弱砂岩 (),厚约10 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1.30×10-2cm/s；(3)薄层软弱砂岩 (),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2.55×10-2cm/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293.0 m,最大堰高3 m,全长约1 000 m,均质壤土围堰,编织袋土护坡,围堰顶宽3 m,边坡1∶2。

图1 二期导流平面布置图

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5.44×10-4cm/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291.5 m,基坑水位266.7 m；帷幕厚2.0 m,渗透系数1×10-6cm/s；堰基砂岩渗透系数2.55×10-2cm/s,无相对隔水层。计算结果见表1。

表1 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292.54 m,顶高程294.00 m,顶宽 18.0 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 40 m(含斜墙段),其中铺盖长27 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0～2 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292.54 m,基坑水位281.70 m,斜墙及铺盖渗透系数1×10-4cm/s,堰基砂岩渗透系数2.55×10-2cm/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40～60 m渗流量变化不大,选定水平防渗长度40 m。3.3.2 下游围堰

二期下游围堰设计水位291.47 m,顶高程293.00 m,顶宽13.0 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。

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,基坑内水位281.70 m,降水深度10.7 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。①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277 m建基平台 (闸底板)出现外渗；②在围堰顶部打少量排水井强迫降水,仍不能完全解决277 m平台外浸,将井位移至基坑277 m平台,基本可以解决内坡段外渗,井间距越小,效果越好；③排水井沿厂房基坑坡脚附近设置,泄水闸侧布置于277 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4 520 m3/h(22眼井+排水沟,砂岩渗透系数1.8×10-2cm/s)；④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。①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；②砂岩渗透系数取1.85×10-2cm/s,基坑渗水量为3 360 m3/h,渗透系数取2.55×10-2cm/s,渗水量为4 315 m3/h；③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 4 600 m3/h,二期基坑取为3 750 m3/h。考虑井点布置因素并计入降雨量后,一期基坑排水按5 400 m3/h设计,二期基坑排水按4 500 m3/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22眼管井,井间距15～20 m,井底高程255 m,井径60 cm,单井抽水量200 m3/h,配潜水深井泵,总计井排抽水量4 400 m3/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150 m3/h离心泵2台,100 m3/h离心泵7台,明排抽水量共1 000 m3/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250 m3/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266.7 m以下,保障厂房建基面267.0 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262.5 m以下,浇筑集水井、安装间和1#机组厂房。

第1阶段基本按原设计实施,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23台,实测排水流5 400m3/h,水位未能降至建基面262.5 m以下,集水井基坑下部开挖采取水下开方式完成。由于高程265m以下岩体 (K2i-1)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,原深入下部强透水层 (K2i-1)的几处排水井井水补给节理层,进一步加大了渗流补给。

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21台流量240 m3/h的深井泵,在基坑下游坡脚布置集水坑,安装9台流量210 m3/h长轴泵和10台潜水泵明排,实测最大排水量7 688 m3/h,随着渗透半径的扩大,水位稳定在263.0 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。

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1 100 m3/h,而渗流量计算值为3 360 m3/h(渗透系数1.85×10-2cm/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K2i-3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K2i-2岩层 (渗透系数1.30×10-2cm/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。