巴基斯坦真納水電站深覆蓋層基坑防滲降水設(shè)計(jì)

1、真納水電站深覆蓋層基坑防滲降水設(shè)計(jì)第32卷第1期2013年2月紅水河（HongShui River）陳安平，梁太京(廣西水電工程局，廣西南寧530001)收稿日期：2012-0821；修回日期：2012-0918作者簡(jiǎn)介：陳安平(1972-)，男，廣西昭平人，工程師，工程碩士，主要從事水利水電工程項(xiàng)目管理工作，Email：195340090qqcom；粱太京(1980-)，男，廣西融水人，助理工程師，主要從事水利水電工程施工技術(shù)管理工作，Email：149101121qqcom。摘要：文章介紹了巴基斯坦真納水電站發(fā)電廠房深厚砂礫石覆蓋層基坑的防滲降水設(shè)計(jì)方法。通過采用高壓旋、擺噴灌漿防滲墻與降

2、水井群相結(jié)合的防滲降水技術(shù)，成功將廠房大面積基坑的地下水位降至目標(biāo)高程，達(dá)到了在建基面進(jìn)行干地施工的目的，取得了良好的效果。1 工程概述真納水電站是中國(guó)公司按EPC方式承建的海外項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于巴基斯坦伊斯蘭共和國(guó)旁遮普省米揚(yáng)瓦里地區(qū)卡拉巴鎮(zhèn)下游約5 km處的真納攔河閘的右岸，利用真納攔河閘形成的水位落差，開挖明渠引水，修建廠房發(fā)電。樞紐工程由引水渠、廠房、尾水渠和開關(guān)站等組成。電站安裝8臺(tái)單機(jī)容量為12 MW的豎井貫流式發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量96MW，多年平均發(fā)電量607億kW·h。電站廠房坐落在原主河床深達(dá)100-200m的砂礫石深厚覆蓋層上，其結(jié)構(gòu)尺寸為167.7 m x64.2

3、34m×46.5m(長(zhǎng)×寬×高)，廠房基坑開挖的開口線尺寸為230.1 m×178.59 m，基坑開挖的一般深度為22 m，最低開挖深度達(dá)265 m。砂礫石基礎(chǔ)含水層的平均滲透系數(shù)112.08m/d，最大滲透系數(shù)達(dá)139.43 m/d，地下水埋深較淺，約為2m?；A(chǔ)的強(qiáng)滲透性給發(fā)電廠房基坑的防滲降水帶來巨大的挑戰(zhàn)，廠房基坑的防滲降水處理是否成功直接影響到工程總體施工進(jìn)度和工程的質(zhì)量與安全，乃至整個(gè)工程建設(shè)的成敗。針對(duì)工程區(qū)域砂礫石覆蓋層深、滲透系數(shù)大、地下水埋深淺等較為特殊的地質(zhì)、水文條件，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過詳細(xì)的地質(zhì)勘探和研究分析，真納水電站廠房基

4、坑采用了高壓旋、擺噴灌漿防滲墻與降水井群相結(jié)合的防滲降水方案，安全成功地將基坑內(nèi)的地下水位降至目標(biāo)高程，達(dá)到在建基面進(jìn)行干地施工的目的，取得了良好的效果。2 基坑的防滲降水設(shè)計(jì)高壓旋、擺噴灌漿防滲墻與降水井群防滲降水設(shè)計(jì)，可歸納為：截、抽結(jié)合，即在結(jié)構(gòu)物基坑外圍設(shè)置一道臨時(shí)的高壓旋、擺噴灌漿防滲墻，截?cái)嗔飨蚧拥牡叵滤瑫r(shí)在結(jié)構(gòu)物邊線外圍、臨時(shí)高噴灌漿防滲墻內(nèi)側(cè)，設(shè)置一道降水深井群抽排繞過、滲過高噴防滲墻的地下水，通過一截一抽的方式，結(jié)合基坑底部與地表排水溝的防滲、抽排降水設(shè)計(jì)方法，來降低發(fā)電廠房基坑的地下水位至目標(biāo)高程(具體布置參見圖1)。21高壓灌漿防滲墻與降水井深度的確定對(duì)防滲墻+井群

5、方案進(jìn)行平面計(jì)算，擬定廠房基坑外圈為一排連續(xù)高噴防滲墻，墻厚平均0.6 m；內(nèi)圈為一排降水井群，降水井井徑07 m，間距為：左右側(cè)為1375 m，上下游側(cè)為1143m；在基坑底部，發(fā)電廠房永久結(jié)構(gòu)外圍，布置一圈排水溝和兩個(gè)集水坑用于自然降水形成的地表水和其它滲漏水的排水。降水井的深度直接影響降水效果。井太淺，達(dá)不到降水目的；太深則造成工期過長(zhǎng)和浪費(fèi)，且易使降水井周圍滲透坡降過大，造成滲透破壞；降水井的深度與滲透坡降成正比，從降低成孔難度和減少護(hù)壁措施的角度考慮，單圈井設(shè)置又不宜過深。因此，選用地表排水溝+外圈高噴墻+內(nèi)圈井+基坑底部排水溝方案進(jìn)行二維計(jì)算來進(jìn)行相關(guān)研究，以確定高噴防滲墻、降水井

6、的深度等。在發(fā)電廠房基坑的地表面(約2090 m高程)設(shè)一圈排水溝；在204 m高程平臺(tái)設(shè)置一道高噴墻，擬定深度分別為24m、28 m、30 m；在194 m高程布置一圈排水井，擬定深度分別為16m、20m、24m、28m；在基坑底部(187 m高程)設(shè)置一圈深度為1m的排水溝和兩個(gè)深度23 m的集水坑。為確保廠房施工在干地上進(jìn)行和控制施工成本，對(duì)上述不同組合進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，以確定最優(yōu)方案，并采取相應(yīng)的防滲、抽水和排水措施，確保廠房基礎(chǔ)不會(huì)發(fā)生滲流破壞，保證工程順利施工。211 二維滲流有限元計(jì)算分析首先從二維滲流計(jì)算研究基坑的排水工作效應(yīng)。以地表排水溝、高噴防滲墻、降水井和基礎(chǔ)排水溝為

7、可選用防滲排水設(shè)施、以滿足基坑施工期干地施工為條件，分析排水溝、防滲墻、降水井的主要參數(shù)(如長(zhǎng)度、深度等)變化對(duì)基坑滲流場(chǎng)特性的影響。(1)采用高噴防滲墻、降水井和排水溝的長(zhǎng)度、深度等參數(shù)建立二維計(jì)算模型，如圖2所示。(2)計(jì)算成果分析參見表1、表2和表3。212計(jì)算成果分析根據(jù)上述計(jì)算方案，變化高噴墻的深度和降水井(在二維分析中，實(shí)際上是深溝)的尺寸和深度分別進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以得出：(1) 當(dāng)高噴墻因受施工、經(jīng)濟(jì)條件等因素限制而無法達(dá)到下臥相對(duì)不透水層時(shí)，懸掛式高噴墻隨著其深度加大，通過基礎(chǔ)的滲流流量呈下降趨勢(shì)。(2)設(shè)置高噴墻后，將抬高旋噴墻前的地下水位，降低高噴墻后的地下水位。(3

8、)設(shè)置單圈排水井后，使排水井周邊土體內(nèi)的滲透坡降明顯增大，并且隨著排水井深度的增加，井周邊土體內(nèi)的滲透坡降也逐漸增加。(4)僅布置高噴墻，地下水將從基坑周邊邊坡滲出，無法保證基坑干燥，只有設(shè)降水井才可以直接把井后水位降至基坑底面以下。(5)隨著井深度的加大，高噴墻的作用將逐漸減小。(6)隨著高噴墻深度的增加，井周邊土體的滲透坡降會(huì)有減少。(7)設(shè)置一圈降水井后，使降水井周邊土體內(nèi)的滲透坡降明顯減少?？傊?，只設(shè)置高噴墻作為阻隔滲透水，其降低墻后浸潤(rùn)面高度的作用有限，無法保證基坑干面施工。高噴墻與降水井共同作用后可降低土體周邊浸潤(rùn)面高度，保證基坑干面施工。經(jīng)過綜合分析和經(jīng)濟(jì)比較后，采用表1中的I-

9、1工況，即28 m高噴防滲墻(204176 m高程)+16 m降水井(194178 m高程)方案，降水井底部高程落在176m高程，可利用高噴防滲墻底部多年沉積膠結(jié)約2 m厚砂礫石層作防滲擋水底板，減少基坑底部的滲漏流量。22 高壓旋、擺噴防滲墻、降水井的設(shè)計(jì)根據(jù)DLrr52002004水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范，結(jié)合以往工程施工經(jīng)驗(yàn)，高噴墻孔距定為1m，孔深為28m。砂礫石層厚度在100200 m范圍，從成本和目前的施工技術(shù)考慮，按懸掛式高噴防滲墻設(shè)計(jì)，高噴墻深度按28 m計(jì)算。沿板墻上下游的水頭分布見圖3。根據(jù)無限深透水地基繞一道板墻的滲流計(jì)算公式：h=(H/)×v式中:h-

10、沿板墻上下游水頭，m； H -墻前后水位差，206-194=12m；v-變數(shù)，v隨y而變，用下式試算(可設(shè)v=0.05，0.1，到1.0)。y=(S1-S2)×sin v/(/c)-v/(+1)設(shè)v=0.05，0.1，到1.0，試算僦y=11.84，11.68， ，8.85式中 S1-墻前水深，206-176=30mS2-墻后水深，194-176=18 m。式中c值為=Sl(S1S2)的函數(shù)，可用下表4內(nèi)插求得。根據(jù)下式計(jì)算可確定滲透流量q=(k×H/)arsh(x/S2)式中q-單寬滲透流量，m3s；k滲透系數(shù)，取k=1.12 X 102 md；J滲透坡降，J=(H

11、15;)/S2×c/(1-c)。取高噴防滲墻至降水井的平均距離為x=25m，滲透坡降J=0.206。經(jīng)試算出28 m高噴防滲墻底部理論最大單寬滲流量q=484 m3d(5.06 X 10-3m3s)，基坑最大滲漏水量226512m3/d，即2.62m3s。23降水井的滲流計(jì)算群井中任意一個(gè)井(第j井)的井壁處水頭降落(等間距排成矩形的群井)內(nèi)側(cè)群井上游水位194 m高程，井內(nèi)抽水水位183m高程。式中 H-井前水深，194-178=16 m，178 m為計(jì)算起點(diǎn)；Hoj-設(shè)置井內(nèi)水深，183178=5 m；k-滲透系數(shù)，取1.3 X 103m/s；Fw群井任意一個(gè)井(第j井)井壁處的

12、水頭降落因素。式中 Sij-第j實(shí)井到第i虛井的距離；Rij-第j實(shí)井到第i實(shí)井的距離；2Lj第j實(shí)井到第j虛井的距離；Roj-第j實(shí)井半徑；Qi、Qj-i、j井內(nèi)的涌水量，m3/s。假定Qi=Qj=Q；對(duì)于規(guī)則排列的群井，則井系中心式中 a-井間距；i-井系中心的井；n-井系個(gè)數(shù)；2L-實(shí)井到虛井的距離。對(duì)于右側(cè)，n=9個(gè)，i=45，a=1375 m，2L=570m，R0=0.35 m；對(duì)于上下游側(cè)，n=15 X 2個(gè)，i=75，a=1143 m，2L=700 m，R0=0.35 m；對(duì)于左側(cè)，n=9個(gè)，i=45，a=1375 m，2L=930 m，R0=0. 35 m。經(jīng)試算，基坑內(nèi)側(cè)共需

13、布置48口降水井，每口降水井排水量為216 m3h，總排水量為10368 m3h。24基坑排水設(shè)計(jì)按配置48臺(tái)水泵考慮，每臺(tái)泵排水量為250m3h，總排水量為12 000 m3h。發(fā)電廠房基坑總排水能力達(dá)到333 m3s，超過理論計(jì)算滲流量的157。為了確?；痈擅嫔鲜┕?，除配置48臺(tái)深并泵抽水外，在基坑工作面周邊設(shè)一道1 m×l m的排水溝和2個(gè)2mx 3m約4 m深的集水坑，把其他自然形成的地表水經(jīng)排水溝匯入集水坑內(nèi)，采用24臺(tái)單臺(tái)排水量為400 m3h的離心泵抽排至基坑外圍的地表排水溝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面的滲漏水情況，調(diào)整排水溝、集水井位置和深度等參數(shù)，選擇合適數(shù)量的離心泵進(jìn)行基坑

14、內(nèi)排水。水泵數(shù)量及有關(guān)參數(shù)參見表5。25 地表排水溝設(shè)計(jì)地表排水溝的作用是將各抽水點(diǎn)的排水匯合后排向基坑外圍下游。因真納水電站工程區(qū)砂礫石基礎(chǔ)的滲透系數(shù)很大，在距廠房基坑開挖開口線外圍10 m設(shè)置一道斷面如圖4的排水溝。排水溝底部按約1100的坡比控制。排水溝過水面(約1m水深)鋪設(shè)土工膜后，三面澆筑混凝土硬化，土工膜接口搭接長(zhǎng)度不小于05m，用膠水粘結(jié)，兩側(cè)溝邊土工膜頂部采用直徑12mm鋼筋固定于坡面上。排水溝在發(fā)電廠房下游墻處匯合，將水排向基坑外圍的尾水出口。3 結(jié)語高噴灌漿防滲墻和降水井群相繼建成并投入運(yùn)行后的廠房基坑的防滲降水效果顯著：高噴灌漿防滲墻堵截了大部分流向基坑的地下水，全部水泵運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了廠房基坑保持干燥施工的目標(biāo)；可以多點(diǎn)多面同時(shí)大規(guī)模施工，可較大地縮短施工工期，降低工程施工的管理成本，為后續(xù)的主體工程施工贏得了寶貴時(shí)間，確保主體工程施工按計(jì)劃進(jìn)行；高噴灌漿防滲墻堵截了大部分流向基坑的地下水，大大減少了基坑的排水量，節(jié)省了高額的抽水費(fèi)用；降水井群形式的排水措施相對(duì)于明抽強(qiáng)排，有效地防止了因抽水?dāng)y帶大量細(xì)砂而導(dǎo)致砂礫