堆石坝超大基坑施工期水流控制技术研究

赵 伦

(中国水利水电第十二工程局有限公司，杭州 310004)

1 概 述

1.1 立项背景和目的

两河口水电站枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流竖井泄洪洞、地下发电厂房、引水及尾水建筑物等组成。两河口水电站基坑施工期水流控制与其他工程不同之处在于工程位处中国高海拔；高寒地区；坝区河谷狭窄；两岸分布超高陡边坡施工群及多条坝区内常年流水的沟壑；河谷复杂地质地形施工条件非常困难，河床覆盖层按设计要求需开挖至河床基岩面，底部基岩面河床呈深“V”型冲刷侵蚀不规则形体。而此前公司基本未在同类型地区承建过类似高海拔、高寒、超高边坡、复杂河谷地形下进行大型基坑抽排系统实施。

1.2 研究内容及目标

主要研究在高海拔、超高陡边坡、狭窄河谷、河床基岩面结构地形复杂等特点条件下，通过对坝址地区积雨量及汇水源量的观察监测，制定可靠的基坑截排及抽排综合方案，保质量、保进度、安全完成大坝基坑填筑施工任务。主要包括：

1)参考开工前历年水文资料并借鉴施工期水文监测资料，对坝址地区汛期积雨面积的积雨量进行详细准确计算；对坝址区渗水点进行排查及水量监测；综合估算基坑汇水总量[1]。

2)对岸坡渗水部位及沟水采用截排方式处理；大坝基坑根据汇水量配置相应参数的水泵、管路及管路布设方式。

3)根据水量、基坑地形编制适合实地操作的抽排水设计施工方案。

本课题研究两河口水电站基坑排水合理有效的措施，分析渗水来源，分析排水方案的设计与施工，基坑排水与其他施工项目间干扰的解决措施，减少基坑排水难度，降低工程建设成本，为类似条件下设计阶段基坑排水提供治水方案设计参考。

1.3 技术指标

1)根据招标文件水文气象资料查询，两河口施工区历史降雨量小时最大16mm，单日最大降雨量为53mm。

2)两河口水电站填筑坝区内分布有两条常年流水的沟壑，分别是位于大坝上游的庆大河，最大流量为52.9m3/s；位于大坝下游的阿农沟，最大流量为8.72 m3/s。

3)基坑上下游长1.3km，宽度平均30-40m。整个填筑坝区(包括上游庆大河及下游阿农沟)积雨面积约400多万m2。

1.4 技术路线

1)两岸坝肩地形陡峻，受地形及地质条件限制(上下游基坑高，心墙低的基岩凹地形)，坝区内渗水源及沟水分布多，汇水直接进入大坝填筑区影响施工，需编制安全合理的截排水方案。

2)根据历史水文资料及实际监测水文资料，通过计算渗水量及坝区积雨量，选择和设计出合理的抽排设备、系统布置方案、抽排水施工措施、后期管路处理等可行性方案。

2 研究内容及成果

2.1 课题研究方法

课题研究中采用的研究方法主要包括：①技术准备分析；②现场调研；③施工方法及相关技术参数的确定；④工程施工；⑤运行监测。

2.1.1 技术准备分析

联合体根据相关水文资料获得的各项参数及通过计算施工区水量来进行规划施工方案的编制、合理安排施工和配备设备。

2.1.2 现场调研

对该工程的地形地质条件及水文条件等进行实地考察，为抽排水系统布置施工提供指导。

2.1.3 施工方法及相关参数的确定

根据现场确定的相关参数及现场调研信息，结合现场实际情况，确定最终施工方法、施工工艺及设备配置参数及工程量计算。

2.1.4 工程施工

根据确定的最终施工方法，优质、快速、经济地完成工程施工任务。

2.1.5 运行监测

在设备运行过程中，现场实地监测设备的运行情况，非汛期和汛期抽排水强度监测。根据坝体填筑的进度，及时对管路的保护、修复和线路调整进行监控。

2.2 采取的主要措施

2.2.1 组织与人员保证

从课题申报起，由中电建12.5联合体组成了课题组，并有明确的任务分工和过程目标考核要求。

2.2.2 强化过程管理

课题依托两河口大坝工程，研究工作围绕大坝基坑施工期抽排水的时间全面展开，提出了“以过程控制，实现管理目标”的理念，并贯穿于课题研究的全过程。

2.2.3 仪器设备等硬件保证

将所有科研仪器设备和场地条件优先满足课题研究之需，并根据试验需要，及时新购置设备及配件等。

2.3 实施情况

2.3.1 泵站的阶段性设计与布置

根据地形规划，基坑抽排水总体方案采取点对点分散导排和集中泵站抽排两种形式。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4阶段：

1)一期泵站：一期抽排水布置主要为基坑初期积水抽排，降低水位便于设备进入基坑进行覆盖层开挖。分别在上游围堰区域布置了6台37kW潜水泵进行上游河床积水坑抽排，采用软管直接沿上游低堰穿越堰顶至坝区外；在下游右岸挖集水坑，布置了一台220kW离心泵进行下游河床积水抽排，采用预埋钢管穿越下游低堰至坝区外。

2)二期泵站：二期施工时段为基坑开挖阶段，随着河床基岩面的逐渐裸露，河底不是凹凸不平的基岩基础，不利于设置集中抽排水泵站。根据实际地形，那里有凹坑积水区就点对点设置潜水泵，并根据基坑开挖道路的变化及时挪动抽水泵。所有导水泵将河床基础积水导致上、下游布置的临时集水坑后，再从布置在上、下游的管路统一抽排至坝区以外。

3)三期泵站：三期泵站的设置主要是为了2016年汛期度汛，同时为大坝心墙混凝土施工创造干地施工条件。此时基坑已开挖完成，整个河床呈“凹”型，心墙最低，在心墙坝轴线处还要继续下挖一条廊道基础槽，最低高程为2572m。为防止坝壳区上、下游渗水汇入心墙施工区，在上、下游过渡区浇筑有一道混凝土挡水坎将汇入蓄积在坝壳区，并在挡墙后分别设置浮船搭载2台220kW离心泵和一台37kW离心泵进行抽排水。上游泵站管路沿右岸坡2620m高程架设穿越上游围堰基座混凝土延伸至上游坝区以外；下游泵站管路沿左岸铺设翻越下游围堰2618m高程延伸至下游坝区以外。

4)四期泵站：四期泵站布置是为了保持堆石区水位低于心墙土料填筑面5m。当心墙填筑上升后，此时期正值非汛期，上下游各布置一台37KW离心泵便可以控制水位上涨，便上、下游堆石区设置了钢筋笼式的井点集水井，离心泵通过管井集水井抽排基坑积水。此时随着心墙平起上升，将三期建设的上下游大型集水坑进行了回填，浮船和大离心泵也进行了拆除。

2.3.2 管路的设计与布置

排水管线布置原则是避开干扰、降低扬程、缩短管路。由于受两河口河床基础地形约束，因此基坑排水管路分别向上游和下游坝壳区布置。上游泵站管路沿右岸原低线公路布置，高程约2620m左右，穿越上游围堰。下游泵站管路沿基坑填筑面左岸架设翻越下游围堰堰顶2618m高程至下游坝区外。

上、下游泵站的主排水DN350mm钢管分别布置在坝内2620m高程和2618m高程，埋设于堆石区内，管周铺设0.5m厚反滤料。为避免与基坑开挖和坝体填筑的相互干扰，上游管路顺右岸坡设钢架支撑管道爬升至2620m高程水平铺设至上游围堰外；下游管路沿左岸坡经下游堆石区架设穿越下游围堰外。局部采用型钢支撑系统，水平铺设时采用浆砌石墩稳固。每道排水管路上均分级布置逆止阀。

管路采用型钢架设，局部采用浆砌石墩水平铺设，随着坝体填筑管路埋入堆石料内等措施，有效的有效降低排水扬程，从而减小排水难度，避开岸坡危岩体的影响，节约了排水管路，降低了排水能耗，从而极大的节约了成本。尤其是根据坝区实际排水强度，开启37kW离心泵进行日常水位控制，遇强降雨天气才开启220kW大离心泵进行抽排，合理安排了设备运行管理，有效的节约了基坑排水的成本。

2.3.3 浮船的设计与应用

浮船尺寸13m×3m×1m(长×宽×高)，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。浮船的利用，有效的避免了因长时间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，减少了水泵坑对填筑的影响。

2.3.4 渗水来源及地表水截排措施

两河口工程施工区范围内有两条常年流水的沟，还有多条易形成径流水的沟壑。通过对截排处理，减少了基坑抽排水压力，使得基坑泵站运行负担小。

1)岸坡截水措施：

在左右岸施工开口线外都修筑有截水沟设施，由于截水沟施工长度有限，并未将岸坡的截水排至坝区外，而只是将水导排至了坝区的沟壑内流至基坑。通过排查，联合体对两岸坡的截水沟端头进行了封堵，将沟内截水通过架设的引排管路引至坝区外。右岸2785m平台废水及截水沟沟水通过连接引水管路将水引排至阿农沟排水洞排走,左岸坡的施工废水及坡表水汇入在岸坡修筑的引排水沟将水引排至场内排水沟排出。

2)流水沟壑截排措施：

阿农沟和庆大河为常年有水的天然沟。常年流水量非常之大，汇入基坑易造成淹没基坑的危险。所以在阿农沟沟口部位修筑了挡水堰并埋设排水管路将沟水引排至下游围堰以外，保证了阿农沟沟水不进入基坑。

庆大河在大坝标进场前已由其他标段修筑拦河大坝并打通一条往上游引排的排导洞。将庆大河水全部通过引水洞排导至上游雅砻江。大大减小了基坑抽排水压力。

3)基坑截水措施：

两河口大坝基坑开挖完成，整个坝基呈“凹”型地形，上下游坝壳区基坑比心墙基础高，汇水全部呈分散型流向基坑。在凹凸不平的基岩岩面上布置抽水泵很难全方位截排到河床基础面的渗流水。

2.4 主要研究成果

根据2016年汛期基坑抽排水的情况，不断总结，为2017年汛期基坑度汛奠定了基础。通过前期研究成果总结，后期从如下方面进一步改进加强，从而确保了本工程安全度汛施工。

1)总结前期抽排水施工经验和水量数据分析。

2)提前规划：在下一汛期设施前，提前对周围环境及地形进行排查，对有可能的渗水点进行截排处理。

3)施工方案和工艺的更新。

4)现场施工管理安全、质量控制：①成立泵站运行及用电专业操作班子，施工前进行系统专业培训，持证上岗；②吊装及焊接施工严格执行规程；③设备、材料的采购必须保质保量，严禁采购伪劣产品；④做好设备及管路运行期的维护管理；⑤安排专人对水泵的运行功效进行监控并记录；⑥加强气象监测和气象预报；⑦重点做好坝体填筑过程中管路的保护及后期回填工作。

3 结 论

两河口水电站大坝基坑排水顺利运行，经过了围堰施工、廊道开挖及浇筑、心墙填筑基坑最低控制水位等关键时段排水期考验，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，实践经验主要有以下6个方面主要因素：

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)有效的截排措施。通过对岸坡的径流水及沟壑流水进行截导排，大大减小了基坑抽排水强度。降低了水泵负荷。减小了设备配置数量和用电附属配置等。有效节约了成本。

3)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。

4)大型深基坑排水必须保证100%备用电源。两河口基坑排水过程中备用电源功率为4600kW，汛期最大抽排负荷时水泵铭牌功率2860kW。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>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。

5)反向排水系统的应用。为防止上游坝壳区水压力破坏上游围堰斜墙土工膜防渗体，在上游围堰岸坡基座混凝土内穿越埋设了两根350mm的排水钢管。反向排水管布置在2621m高程，当上游基坑水位超过2621m高程时，积水自然从反向排水管排至上游雅砻江。缓解了基坑抽排水强度，减少了抽排系统配置，减轻了管理压力。

6)管井抽排方法。管井抽排方法是通过在堆石体中埋设钢筋笼圆桶形管形成管井，管井适用于非汛期小渗流量时期使用，管井直径为1m，占地面积小，碾压施工设备在坝面运行方便，有利于坝体快速上升，也很好的控制了水位。