淺談粉細(xì)沙地層局部深基坑開(kāi)挖的施工經(jīng)驗(yàn)

蘇飛標(biāo) 裴文明

（中國(guó)水利水電第三工程局有限公司 陜西 西安 710016）

1 海勃灣水利樞紐工程簡(jiǎn)介

黃河海勃灣水利樞紐為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大（2）型，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市境內(nèi)的黃河干流上，是一座具有防凌、發(fā)電等綜合利用的水利樞紐工程，主要由土石壩、泄洪閘、河床式電站等建筑物組成。河床布置四臺(tái)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組廠房，總裝機(jī)容量90MW，年發(fā)電量3.59億kW·h，水庫(kù)正常蓄水位1076.0m，總庫(kù)容4.87億m3。

樞紐主要建筑物土石壩、泄洪閘、電站等為2級(jí)建筑物，導(dǎo)墻及壩前右岸第1段庫(kù)岸防護(hù)邊坡等次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。樞紐布置從右到左依次為：右岸連接壩段、電站壩段（包括主安裝場(chǎng)、4個(gè)機(jī)組段和電站隔墩壩）、泄洪閘壩段（共16孔）、泄洪閘與土石壩連接段以及土石壩段。電站采用河床式電站廠房型式，布置在主河槽右側(cè)。電站順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)69.1m，最大壩高35.2m。主廠房中心縱軸線平行于壩軸線布置，裝有4臺(tái)單機(jī)22.5MW的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，采用一機(jī)一縫布置，每一機(jī)組段長(zhǎng)度為24.0m。主廠房?jī)?nèi)還設(shè)有長(zhǎng)度分別為22.5m和18.5m的主、副安裝場(chǎng)。主廠房總長(zhǎng)度為137.0m，寬度23.0m；副廠房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，布置有中央控制室、繼電保護(hù)室、機(jī)修間、儀表試驗(yàn)室、水工觀測(cè)室等，與主廠房成“一”字布置在其右側(cè)。GIS開(kāi)關(guān)站設(shè)在主廠房下游尾水平臺(tái)右側(cè)岸邊，與主、副廠房成“品”字布置。

機(jī)組安裝高程1056.50m，操作層高程1068.50m。電站進(jìn)水口底板高程1052.50m，進(jìn)水口型式為喇叭口型，每個(gè)進(jìn)口段用一個(gè)中墩隔為兩個(gè)進(jìn)水口，每孔寬6.0m，進(jìn)水口后流道底板高程1050.14m。泄洪閘和電站前池之間設(shè)有攔沙導(dǎo)墻，每個(gè)電站壩段進(jìn)水口的右下方及隔墩壩的右下方設(shè)置1孔排沙孔，共設(shè)5孔排沙孔。排沙孔進(jìn)、出口底高程分別為1048.2m和1057.2m，進(jìn)、出口斷面（寬×高）分別為3.0m×3.5m和3.0m×2.5m。壩頂布置一臺(tái)雙向門機(jī)，負(fù)責(zé)進(jìn)水口檢修閘門、攔污柵和排沙孔進(jìn)口檢修閘門的啟閉。電站機(jī)組下部設(shè)有交通和排水廊道，滲漏和檢修集水井設(shè)在副安裝場(chǎng)隔墩壩內(nèi)。

2 水文氣象及工程地質(zhì)條件

2.1 水文氣象條件

樞紐地處大陸腹地，受大陸西風(fēng)氣流的控制，呈現(xiàn)溫帶大陸性氣候特征。年內(nèi)寒暑巨變，無(wú)霜期短，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差變化大，降水量少，蒸發(fā)量大。春季短且干旱多風(fēng)；夏季炎熱，雨水相對(duì)集中；秋季氣候干燥，風(fēng)沙較大；冬季干燥，嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)。工程區(qū)多年平均降水量156.8mm，年降水量的65%集中在7月～9月，冬季降水量很少。平均水面蒸發(fā)量達(dá)3206mm（20cm蒸發(fā)皿觀測(cè)值），其中5月～8月的蒸發(fā)量占全年的61%，最大蒸發(fā)量多出現(xiàn)在6月份。多年平均氣溫9.7℃，氣溫年際變化不大，年內(nèi)變化很大，極端最高氣溫 40.2℃（1999年 7月 28日），極端最低氣溫-32.6℃（1971年1月22日），變幅達(dá)72.8℃，夏季各月平均氣溫在18℃以上。大風(fēng)和風(fēng)沙時(shí)有發(fā)生，歷年最大風(fēng)速24m/s。

黃河內(nèi)蒙古河段洪水分伏汛和凌汛兩種洪水類型。伏汛洪水主要來(lái)自蘭州上河段，由降雨形成，伏汛期長(zhǎng)，為7月～10月，伏汛期間的水量占全年總水量的50%以上。年最大流量多發(fā)生在7月～9月，尤以8、9月份居多，洪量大且峰型較胖，洪水漲落平緩，峰型以單峰為主，一次歷時(shí)長(zhǎng)約45天。

2.2 工程地質(zhì)條件

樞紐壩址緊鄰烏海市海勃灣區(qū)，地處黃河彎道段。黃河以NE50°方向流經(jīng)本區(qū)，河谷寬約540m，為不對(duì)稱寬谷，河床高程1064.0m～1066.5m；平水期黃河水位約1066.5m，水深一般在0.5m～2.5m，主河槽寬度400m左右；河谷區(qū)為黃河沖積地貌類型，主要是分布于黃河左岸壩軸線上、下游的河漫灘，地面高程1065m～1067.5m，高出河水面約1.0m，最大寬度約1.9km，靠近壩線處較窄，多被風(fēng)積砂所覆蓋。

河床表層為新近堆積的細(xì)沙、粉砂，松散至稍密，地層巖性是以粉砂、細(xì)砂為主，夾有砂礫石、中粗砂和粘性土夾層和透鏡體的第四系松散堆積物。河道兩岸均為土質(zhì)岸坡，左岸為黃河I級(jí)階地，與烏蘭布和沙漠相連，高程在1069.5m左右；右岸為黃河II級(jí)階地，岸邊高程在1078m左右。

3 電站標(biāo)段副安裝間集水井周邊情況

副安裝場(chǎng)集水井臨近泄洪閘標(biāo)段，由于此部位為基坑最低處，與泄沖閘邊坡最大高差約25m，加之EL1046.5m四周邊坡存在滲水通道，地下涌水、涌砂現(xiàn)象較為嚴(yán)重。前期由于地質(zhì)原因采用了鋼筋石籠做擋墻，通過(guò)反濾料、土工布阻擋來(lái)自左側(cè)涌水、涌砂，雖然起到了一定的效果，但鋼筋石籠擋墻上部邊坡依然還有小范圍的自然滑塌現(xiàn)象。隨著基坑的繼續(xù)下挖，在滲水通道沒(méi)有完全阻斷的情況下，集水井在粉細(xì)砂地層開(kāi)挖中難以形成周邊1∶1.25邊坡，并危及到集水井周邊的廠房基礎(chǔ)穩(wěn)定，更會(huì)出現(xiàn)左岸泄沖閘邊坡整體滑塌的嚴(yán)重后果。

4 小型擋水圍堰結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述情況，為確保副安裝間集水井部位能夠正常施工需在集水井周邊采用高噴防滲墻和混凝土防滲墻制作小型擋水圍堰，以阻擋滲水、涌水及涌砂。

高噴防滲墻的施工通過(guò)延長(zhǎng)四周承壓水滲流滲徑，從而減緩集水井四周涌水量；但單排高噴墻墻身抵抗側(cè)向水、土壓力能力較差，混凝土防滲墻有相對(duì)較強(qiáng)的抵抗周邊水壓能力，并對(duì)高噴防滲墻起到穩(wěn)定作用。高噴與混凝土防滲墻聯(lián)合措施實(shí)施，能夠保證集水井部位開(kāi)挖施工順利進(jìn)行。

4.1 高噴防滲墻

高噴防滲墻布置在集水井體型線外側(cè)，距集水井結(jié)構(gòu)體型邊緣約50cm，成墻后形成第一道封閉矩形防滲體。防滲墻工作面高程為基坑大面高程1048.5m，底高程為1035m，低于集水井建基面約3m，墻頂高程1043.12m，即鉆孔深度為13.5m，噴灌深度8.12m。墻體單排布置，成墻厚度80cm，孔距0.8m和0.78m（因此地層已施工振沖碎石樁，地層很密實(shí)且分布大量碎石，給造孔和減少塌孔帶來(lái)一定困難，最為重要的是給防滲墻體連接造成一定的隱患，所以縮短孔距）。具體施工參數(shù)按照施工上下游圍堰和新增右邊坡高噴防滲墻施工數(shù)據(jù)進(jìn)行施工，提升速度為8cm/min。鑒于集水井高噴防滲墻施工軸線有四個(gè)角，在折角部位需確保高噴孔孔距，并采取必要的加孔措施補(bǔ)強(qiáng)。

4.2 混凝土防滲墻

混凝土防滲墻布置在高噴防滲墻內(nèi)側(cè)，緊貼高噴墻，墻體厚度70cm，成墻后形成第一道封閉矩形防滲體。墻體頂高1045.5m，底高為1030.5m，即低于集水井建基面約7.5m，墻體總深度約為15m。且為保證墻體的強(qiáng)度，在采用液壓抓斗成槽后，首先放入單層鋼筋網(wǎng)片（Φ18@20cm），再進(jìn)行混凝土澆筑。鋼筋網(wǎng)片采用人工綁扎，頂部設(shè)置吊耳，按照相應(yīng)槽底深度及寬度進(jìn)行施工。完成后起吊設(shè)備進(jìn)行起吊，調(diào)入相應(yīng)槽段內(nèi)。

為保證集水井下部強(qiáng)度能夠滿足運(yùn)行需求，加之防滲墻施工為水下澆筑混凝土，采用比集水井高一標(biāo)號(hào)的混凝土進(jìn)行澆筑，其他指標(biāo)同原設(shè)計(jì)，采用C30F200W6混凝土進(jìn)行澆筑。

5 擋水圍堰形成后的運(yùn)用

在兩道防滲墻全部施工完成后，下一步還不能急于對(duì)集水井進(jìn)行開(kāi)挖。由于地層較為復(fù)雜，開(kāi)挖施工仍存在較多不確定性因素。為防止開(kāi)挖至集水井底部后出現(xiàn)涌水流砂情況，還需采取其他輔助措施，具體如下：

（1）在集水井平面范圍內(nèi)布置兩口管井，管井深度為深入集水井底部建基面3m以下，口徑為375mm，井壁材料采用鉛絲鋼管。具體位置以不影響后期開(kāi)挖及混凝土澆筑施工為原則。

（2）在開(kāi)挖過(guò)程中靠防滲墻順?biāo)鞣较蛟O(shè)置臨時(shí)排水溝。排水溝采用編織袋裝粘土，人工碼放。周邊滲水經(jīng)排水溝排出，并由水泵及時(shí)抽排，排水溝隨開(kāi)挖面的分層下降而下臥。

（3）在挖至集水井底部建基面高程后，還需超挖1m，且為便于集水及排水，底部開(kāi)挖面上下游方向需帶有一定坡度。超挖部分需在開(kāi)挖到底部預(yù)定高程時(shí)立即采用素混凝土回填，且需邊開(kāi)挖邊澆筑，新澆混凝土作為蓋重，蓋壓已開(kāi)挖完成建基面，封閉底板，以防止底部涌水的發(fā)生。

6 開(kāi)挖施工過(guò)程中需注意的問(wèn)題

由于施工的緊迫性，在開(kāi)挖施工過(guò)程中需要得到監(jiān)理、設(shè)計(jì)、業(yè)主及拌和樓的大力配合，具備隨叫隨到、隨時(shí)供料的條件。特別是在混凝土防滲墻槽孔和集水井底部基礎(chǔ)面開(kāi)挖出來(lái)后，需立即通知相關(guān)單位現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，必要時(shí)需進(jìn)行24小時(shí)旁站。此外，還需提前通知拌和樓供料并確保料供應(yīng)的連續(xù)性，防止槽孔等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致底部塌方，給施工帶來(lái)更大困難。

同時(shí)考慮集水井防滲墻墻體較長(zhǎng)，開(kāi)挖高度較高且為垂直面，為保證施工平臺(tái)穩(wěn)定、施工人員和設(shè)備安全，進(jìn)一步加強(qiáng)整體穩(wěn)定，在集水井自上而下開(kāi)始開(kāi)挖至施工完成的整個(gè)過(guò)程中，還需隨開(kāi)挖高度的下降逐層間隔采用40#槽鋼、Φ500mm無(wú)縫鋼管、Φ48mm腳手架管、8cm×12cm方木及配套可調(diào)絲杠等材料對(duì)防滲墻進(jìn)行支撐加固，且支撐需綜合考慮開(kāi)挖施工的干擾及支撐的及時(shí)性等因素。

7 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述小型擋水圍堰及相關(guān)輔助措施的實(shí)施，順利地實(shí)現(xiàn)了海勃灣水利樞紐工程電站廠房標(biāo)集水井的施工，為后面順利實(shí)現(xiàn)向泄洪閘標(biāo)段移交工作面及電站下閘擋水的節(jié)點(diǎn)工期目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)混凝土防滲墻和高噴灌漿防滲墻合力組成的小型擋水圍堰在黃河海勃灣水利樞紐工程中的成功運(yùn)用，為今后類似復(fù)雜地質(zhì)地層條件下深基坑小區(qū)域的開(kāi)挖施工提供了方法借鑒，具有參考推廣的價(jià)值。陜西水利