深厚砂礫石覆蓋層基坑的防滲降水設計

深厚砂礫石覆蓋層基坑的防滲降水設計

1全廠國土開發(fā)運行真納水電站是中國企業(yè)按照epc模式修建的海外項目。本項目位于巴基斯坦伊斯蘭共和國和外交部附近莫拉巴市下游約5公里的真納河港右岸。利用真納河港形成的水位下降，挖一條明渠，然后建造工廠。樞紐工程由引水渠、廠房、尾水渠和開關站等組成。電站安裝8臺單機容量為12MW的豎井貫流式發(fā)電機組,總裝機容量96MW,多年平均發(fā)電量6.07億kW·h。電站廠房坐落在原主河床深達100～200m的砂礫石深厚覆蓋層上,其結構尺寸為167.7m×64.234m×46.5m(長×寬×高),廠房基坑開挖的開口線尺寸為230.1m×178.59m,基坑開挖的一般深度為22m,最低開挖深度達26.5m。砂礫石基礎含水層的平均滲透系數(shù)112.08m/d,最大滲透系數(shù)達139.43m/d,地下水埋深較淺,約為2m?；A的強滲透性給發(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度和工程的質量與安全,乃至整個工程建設的成敗。針對工程區(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、水文條件,結合以往工程經(jīng)驗,經(jīng)過詳細的地質勘探和研究分析,真納水電站廠房基坑采用了高壓旋、擺噴灌漿防滲墻與降水井群相結合的防滲降水方案,安全成功地將基坑內(nèi)的地下水位降至目標高程,達到在建基面進行干地施工的目的,取得了良好的效果。2地面一截一抽的降水模式高壓旋、擺噴灌漿防滲墻與降水井群防滲降水設計,可歸納為:截、抽結合,即在結構物基坑外圍設置一道臨時的高壓旋、擺噴灌漿防滲墻,截斷流向基坑的地下水,同時在結構物邊線外圍,臨時高噴灌漿防滲墻內(nèi)側,設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,結合基坑底部與地表排水溝的防滲、抽排降水設計方法,來降低發(fā)電廠房基坑的地下水位至目標高程(具體布置參見圖1)。2.1地表排水系統(tǒng)+范圍滲流方案對防滲墻+井群方案進行平面計算,擬定廠房基坑外圈為一排連續(xù)高噴防滲墻,墻厚平均0.6m;內(nèi)圈為一排降水井群,降水井井徑0.7m,間距為:左右側為13.75m,上下游側為11.43m;在基坑底部,發(fā)電廠房永久結構外圍,布置一圈排水溝和兩個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,達不到降水目的;太深則造成工期過長和浪費,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壁措施的角度考慮,單圈井設置又不宜過深。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行二維計算來進行相關研究,以確定高噴防滲墻、降水井的深度等。在發(fā)電廠房基坑的地表面(約209.0m高程)設一圈排水溝;在204m高程平臺設置一道高噴墻,擬定深度分別為24m、28m、30m;在194m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(187m高程)設置一圈深度為1m的排水溝和兩個深度2～3m的集水坑。為確保廠房施工在干地上進行和控制施工成本,對上述不同組合進行了詳細的分析計算,以確定最優(yōu)方案,并采取相應的防滲、抽水和排水措施,確保廠房基礎不會發(fā)生滲流破壞,保證工程順利施工。2.1.1維設計及三維分析首先從二維滲流計算研究基坑的排水工作效應。以地表排水溝、高噴防滲墻、降水井和基礎排水溝為可選用防滲排水設施、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)(如長度、深度等)變化對基坑滲流場特性的影響。(1)采用高噴防滲墻、降水井和排水溝的長度、深度等參數(shù)建立二維計算模型,如圖2所示。(2)計算成果分析參見表1、表2和表3。2.1.2設置高噴墻與降水井等共同作用的情況根據(jù)上述計算方案,變化高噴墻的深度和降水井(在二維分析中,實際上是深溝)的尺寸和深度分別進行計算,從計算結果可以得出:(1)當高噴墻因受施工、經(jīng)濟條件等因素限制而無法達到下臥相對不透水層時,懸掛式高噴墻隨著其深度加大,通過基礎的滲流流量呈下降趨勢。(2)設置高噴墻后,將抬高旋噴墻前的地下水位,降低高噴墻后的地下水位。(3)設置單圈排水井后,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有減少。(7)設置一圈降水井后,使降水井周邊土體內(nèi)的滲透坡降明顯減少?？傊?只設置高噴墻作為阻隔滲透水,其降低墻后浸潤面高度的作用有限,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面高度,保證基坑干面施工。經(jīng)過綜合分析和經(jīng)濟比較后,采用表1中的I-1工況,即28m高噴防滲墻(204～176m高程)+16m降水井(194～178m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約2m厚砂礫石層作防滲擋水底板,減少基坑底部的滲漏流量。2.2透水成本lmf計算根據(jù)DL/T5200-2004《水利水電工程高壓噴射灌漿技術規(guī)范》,結合以往工程施工經(jīng)驗,高噴墻孔距定為1m,孔深為28m。砂礫石層厚度在100～200m范圍,從成本和目前的施工技術考慮,按懸掛式高噴防滲墻設計,高噴墻深度按28m計算。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算公式:式中h———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v=0.05,0.1,…到1.0)。式中S1———墻前水深,206-176=30mS2———墻后水深,194-176=18m。式中c值為δ=S1/(S1-S2)的函數(shù),可用下表4內(nèi)插求得。根據(jù)下式計算可確定滲透流量k———滲透系數(shù),取k=1.12×102m/d;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28m高噴防滲墻底部理論最大單寬滲流量q=484m3/d(5.06×10-3m3/s),基坑最大滲漏水量226512m3/d,即2.62m3/s。2.3群井群井的間距群井中任意一個井(第j井)的井壁處水頭降落(等間距排成矩形的群井)內(nèi)側群井上游水位194m高程,井內(nèi)抽水水位183m高程。式中H———井前水深,194-178=16m,178m為計算起點;hoj———設置井內(nèi)水深,183-178=5m;k———滲透系數(shù),取1.3×103m/s;Fw———群井任意一個井(第j井)井壁處的水頭降落因素。式中Sij———第j實井到第i虛井的距離;Qi、Qj———i、j井內(nèi)的涌水量,m3/s。假定Qi=Qj=Q;對于規(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———井系個數(shù);2L———實井到虛井的距離。對于右側,n=9個,i=4.5,a=13.75m,2L=570m,Ro=0.35m;經(jīng)試算,基坑內(nèi)側共需布置48口降水井,每口降水井排水量為216m3/h,總排水量為10368m3/h。2.4基坑滲流量的調(diào)整按配置48臺水泵考慮,每臺泵排水量為250m3/h,總排水量為12000m3/h。發(fā)電廠房基坑總排水能力達到3.33m3/s,超過理論計算滲流量的15.7%。為了確?；痈擅嫔鲜┕?除配置48臺深井泵抽水外,在基坑工作面周邊設一道1m×1m的排水溝和2個2m×3m約4m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2～4臺單臺排水量為400m3/h的離心泵抽排至基坑外圍的地表排水溝。根據(jù)現(xiàn)場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)量的離心泵進行基坑內(nèi)排水。水泵數(shù)量及有關參數(shù)參見表5。2.5房基坑開挖開口線增設土工膜地表排水溝的作用是將各抽水點的排水匯合后排向基坑外圍下游。因真納水電站工程區(qū)砂礫石基礎的滲透系數(shù)很大,在距廠房基坑開挖開口線外圍10m設置一道斷面如圖4的排水溝,排水溝底部按約1/100的坡比控制。排水溝過水面(約1m水深)鋪設土工膜后,三面澆筑混凝土硬化,土工膜接口搭接長度不小于0.5m,用膠水粘結,兩側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降水效果分析高噴灌漿防滲墻和降水井群相繼建成并投入運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,全部水泵運行后,實現(xiàn)了廠房基坑保持干燥施工的目標;可以多點多面同時大規(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間,確保主體工程施工按計劃進行;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)省了高額的抽水費用;降水井群形式的排水措施相對于明抽強排,有效地防止了因抽水攜帶大量細砂而導致砂礫石基礎底部被掏空的風險,有效地保護了基礎的完整性,避免了由于明抽強排導致破壞基礎而產(chǎn)生后續(xù)的基礎處理費用?？傊?廠房基坑的防滲降水的效果達到了設計要求,成功實現(xiàn)了基坑在干地上進行施工的目標,為巴基斯坦真納水電站的最終建成創(chuàng)造了必要條件,亦為今后的類似工程提供有價值的參考。y=(S1-S2)×{[sinv/(π/c)]-v/(π+1)}設v=0.05,0.1,…到1.0,試算得相應y=11.84,11.68,…,8.85q=(k×H/π)arsh(x/S2)式中q———單