江坪河混凝土面板堆石壩施工期反向排水補(bǔ)救方案研究

徐建華，張 繁

(湖北能源集團(tuán)溇水水電有限公司，湖北 鶴峰 445801)

江坪河水電站位于澧水最大支流的溇水上游河段，地處湖北省鶴峰縣走馬鎮(zhèn)，壩址控制流域面積2 140 km2，本工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪。工程為一等大(1)型工程，工程樞紐由混凝土面板堆石壩、右岸泄水建筑物、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位470 m，汛限水位459.70 m，死水位427 m，正常蓄水庫(kù)容12.56億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.78億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量450 MW，多年平均發(fā)電量9.64億kW·h?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?76 m，壩頂寬10 m，壩頂長(zhǎng)415 m，最大壩高219 m，大壩上游坡比1∶1.4，下游壩坡設(shè)“之”字路，路寬2 m，下游綜合壩坡1∶1.4。工程于2005年截流，大壩于2011年10月全斷面填筑至高程375 m(壩體凈高達(dá)118 m)，由于某些特殊原因，工程全面停工，工程于2015年更換了業(yè)主并復(fù)工，大壩于2016年6月恢復(fù)填筑。因工程2011年至2015年長(zhǎng)期停工，大壩上游一直處于基坑高水位運(yùn)行。復(fù)工后，上游基坑水位抽排至高程262 m(水平趾板基礎(chǔ)高程)以下時(shí)，施工單位對(duì)上游集水坑進(jìn)行了人工清淤、采取高壓水槍疏通反向排水管等措施。經(jīng)疏通后，2根排水管排水正常,1根排水管排水量相對(duì)較小。2016年，大壩一期面板混凝土施工完成后，為保證汛期面板安全，大壩上游基坑進(jìn)行了沖水平壓。汛后將基坑水位降至高程262 m以下，準(zhǔn)備進(jìn)行一期面板止水施工時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)大壩施工期3根反向排水管全部被堵死。

1 面板堆石壩施工期反向排水設(shè)計(jì)

1.1 施工期反向排水設(shè)置的必要性

由于面板堆石壩在大壩上游鋪蓋填筑前，需要進(jìn)行壩體填筑、面板混凝土施工、面板止水系統(tǒng)的施工，這一階段需要壩體上游基坑保持干地施工。而在此期間壩體內(nèi)的各種來(lái)水(山體滲水、壩體碾壓水及雨水等)需要及時(shí)排出，否則一旦壩體內(nèi)水水位高于上游基坑水位，易形成反向水壓，可能造成壩體墊層料滲透破壞、一期面板頂托破壞，對(duì)工程造成難以挽回的損失。因此，面板堆石壩施工期反向排水措施的合理設(shè)置、排水順暢可靠對(duì)大壩防滲系統(tǒng)的安全就顯得尤為重要[1]。

1.2 施工期反向排水設(shè)計(jì)

面板堆石壩施工期反向排水一般設(shè)計(jì)思路為：在壩基處理完成后開(kāi)始大壩填筑時(shí)，在壩基合適的部位就開(kāi)始埋設(shè)集水井、排水花管及引向上游穿過(guò)趾板混凝土基礎(chǔ)的排水鋼管，排水花管及排水鋼管連接集水井；埋設(shè)于壩體內(nèi)的集水井及排水花管隨著壩體填筑的上升而上升，至一定高程后進(jìn)行排水花管管口的封閉處理，而排水鋼管外露于趾板外側(cè)段需提前在趾板混凝土澆筑前設(shè)置上游基坑集水坑，排水鋼管通過(guò)集水坑上引，排水鋼管出口端頭需安裝法蘭盤(pán)及過(guò)濾鋼罩，并在出口設(shè)置閥門；排水鋼管將施工期壩體內(nèi)水引入集水坑后通過(guò)事先已布設(shè)的抽水設(shè)備將水抽排至上游圍堰外；在面板止水系統(tǒng)安裝完成至一定高程后，導(dǎo)流洞下閘前，需填筑完成大壩上游蓋重料填筑，在蓋重料填筑前，下游量水堰需具備壩體內(nèi)排水功能，此時(shí)，才可對(duì)反向排水鋼管及集水坑進(jìn)行封堵[1]。

1.3 江坪河大壩施工期反向排水設(shè)計(jì)

江坪河大壩施工期反向排水布置設(shè)計(jì)按上述一般設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。

圖1 壩體施工排水布置剖面圖

集水井與排水花管伸入墊層料底部，排水花管的頂面采用一定板厚的鋼板密封處理；排水花管采用雙層不銹鋼濾網(wǎng)包裹，內(nèi)層濾網(wǎng)采用1 mm×1 mm的濾網(wǎng)，外層濾網(wǎng)采用2 mm×2 mm的濾網(wǎng)，并用細(xì)鉛絲綁扎牢固；集水井及排水花管進(jìn)入過(guò)渡區(qū)開(kāi)始，其周圍1 m范圍均用反濾料填筑保護(hù)，先包500 mm粒徑為20～40 mm碎石，然后填筑厚度為500 mm粒徑為40～80 mm的砂卵石料，鋪料厚度400 mm，碾壓采用振動(dòng)碾靜碾；集水井內(nèi)填筑料采用粒徑20～100 mm的卵石料作為排水通道，碾壓采用振動(dòng)碾靜碾；集水井采用鋼筋籠制作井筒，井筒外包裹一層2 mm×2 mm的不銹鋼濾網(wǎng)；集水井及排水鋼管周圍3 m范圍內(nèi)碾壓采用靜碾；上游粘土鋪蓋料填筑前，排水鋼管須用水泥砂漿回填灌漿封堵，集水坑須用微膨脹混凝土回填[2-3]。

2 施工期反向排水補(bǔ)救方案研究

2.1 施工期反向排水補(bǔ)救方案研究背景

在汛后將基坑水位降至高程262 m(水平趾板高程263 m)以下，發(fā)現(xiàn)原埋設(shè)于壩體內(nèi)引至水平趾板前基坑集水坑內(nèi)的3根反向排水鋼管全部堵塞，無(wú)壩體內(nèi)水排出。隨后，施工單位在集水坑內(nèi)將排水鋼管上彎段割除，因集水坑狹小，在坑內(nèi)架設(shè)100B鉆機(jī)對(duì)反向排水管進(jìn)行掃孔疏通，掃孔疏通至一定深度(約8 m)后，發(fā)現(xiàn)排水管被水泥漿液凝結(jié)堵塞且前施工單位并未按設(shè)計(jì)圖紙埋設(shè)排水直鋼管，埋設(shè)的排水鋼管存在彎肘段，已無(wú)法用機(jī)械方式疏通排水鋼管。即使強(qiáng)行破管疏通，壩體內(nèi)水排出過(guò)程中將會(huì)長(zhǎng)期帶出大量壩體內(nèi)的細(xì)顆粒，破壞墊層料結(jié)構(gòu)且排水無(wú)法長(zhǎng)期通暢。

2.2 施工期排水鋼管被堵原因分析

經(jīng)查找前期施工資料及鉆機(jī)掃孔取出的堵塞物質(zhì)樣品分析，排水鋼管被堵塞主要原因?yàn)椋簤误w停工時(shí)間較長(zhǎng)，反向排水管被長(zhǎng)期充水的基坑淤泥反灌堵塞；兩岸趾板補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿棄漿流入基坑，造成反向排水管堵塞。

2.3 施工期反向排水補(bǔ)救方案研究

為防止一期面板受壩體內(nèi)水反向水壓頂托破壞，需盡快解決這一工程難題，研究人員對(duì)江坪河水電站大壩工程施工期反向排水恢復(fù)措施項(xiàng)目進(jìn)行了技術(shù)攻堅(jiān)，迅速提出了3種壩體內(nèi)排水補(bǔ)救方案：壩前重新設(shè)置反向排水管；壩后設(shè)置排水管；利用右岸310 m高程灌漿平洞在近壩基段設(shè)置排水廊道[4]。

方案一：壩前重新設(shè)置反向排水管

設(shè)計(jì)思路：將狹小的集水坑爆破擴(kuò)挖后，布置地質(zhì)鉆全程下套管穿過(guò)趾板基礎(chǔ)基巖、壩體填筑料至原設(shè)計(jì)集水井內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常排水。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：鉆孔及開(kāi)挖工程量不大。

該方案的缺點(diǎn)：由于原集水坑極其狹小，需擴(kuò)挖后才能布置地質(zhì)鉆下套管重新設(shè)置排水管，而集水坑四周多為混凝土和基巖，緊鄰水平趾板，不宜采用鉆孔爆破的方法進(jìn)行擴(kuò)挖，開(kāi)挖施工難度大，爆破極易破壞已澆筑的趾板結(jié)構(gòu)；鉆孔需穿過(guò)墊層料、過(guò)渡料、成孔難度大，擾動(dòng)墊層料，易造成墊層料防滲系統(tǒng)破壞；大壩上游小基坑狹小，大型設(shè)備很難在基坑就位，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高；缺乏排水系統(tǒng)施工資料，集水井無(wú)法準(zhǔn)確定位；可能反復(fù)試鉆或擴(kuò)大集水坑，工期無(wú)法掌控。

方案二：壩后設(shè)置排水管

設(shè)計(jì)思路：將壩后已壓重的295 m高程以下蓋重料挖除至270 m高程，布置鉆機(jī)鉆穿已澆筑的量水堰面板、下套管鉆至壩體內(nèi)一定深度埋設(shè)排水鋼管實(shí)現(xiàn)正常排水。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：交通較為便利，施工比較方便；露天作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)較小。

該方案的缺點(diǎn)：須挖除該部位已施工的蓋重料，開(kāi)挖、回填工程量較大(約5 000 m3)；與廠房尾水基坑施工干擾大，且下游尾水基坑水位須常年保持在270 m以下，須布置大量的抽水設(shè)備保證尾水基坑長(zhǎng)期抽排水(不少于12個(gè)月)，否則會(huì)引起倒灌；鉆孔施工須穿過(guò)壩后鋼筋混凝土面板，若封堵不當(dāng)會(huì)影響后期量水堰量水效果；投資大，初步測(cè)算不少于400萬(wàn)元。

方案三：利用右岸310 m高程灌漿平洞在近壩基段設(shè)置排水廊道

設(shè)計(jì)思路：從右岸310灌漿平洞洞口開(kāi)挖斜井至263 m高程近壩基部位形成排水室后，再下套管鉆水平孔至壩體內(nèi)一定深度，將壩內(nèi)積水導(dǎo)出至排水室，利用抽水設(shè)備將壩體內(nèi)水排出。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：有獨(dú)立的工作面，施工干擾小，工期可控(約3個(gè)月)；施工完成后，有利于徹底解決上游蓋重施工期間的壩體排水難題；封堵相對(duì)簡(jiǎn)單、獨(dú)立，不破壞壩體防滲體系；抽排工程量小(經(jīng)常性排水≤40 m3/h)；投資相對(duì)較小，約為200萬(wàn)元。

該方案的缺點(diǎn)：施工工程量相對(duì)較大(硐挖約1 650 m3)；離已施工帷幕較近(水平直線最近距離約50 m)，需控制性爆破作業(yè)，防止對(duì)已施工帷幕的破壞。

通過(guò)對(duì)上述三種方案進(jìn)行技術(shù)、進(jìn)度、安全、經(jīng)濟(jì)等專家咨詢比選認(rèn)為：方案一雖工程量較小，投資相對(duì)較小，但由于結(jié)構(gòu)安全及施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、工期不可控，不宜采用；方案二工程量大，施工干擾大，抽排設(shè)備多且抽排時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)投入大，不宜采用；方案三技術(shù)可行，施工工作面獨(dú)立，進(jìn)度及安全可控，經(jīng)濟(jì)投入適中，可采用該方案。

最終確定采用方案三。具體方案如圖2所示。

圖2 大壩施工期排水恢復(fù)措施布置圖(斜井方案)

3 方案實(shí)施后的排水效果

經(jīng)過(guò)3個(gè)月的施工，快速實(shí)現(xiàn)了壩體內(nèi)水的正常排水，有效地將壩內(nèi)水位降至264 m高程以下。該方案實(shí)施后至今，通過(guò)壩體內(nèi)埋設(shè)的滲壓計(jì)取得的數(shù)據(jù)和日常抽排數(shù)據(jù)反映，壩體內(nèi)水位基本在264 m高程上下波動(dòng)，壩體內(nèi)排水穩(wěn)定，無(wú)任何異常情況，有效保障了的大壩防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的施工期安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

江坪河水電站大壩施工期反向排水管被堵之后，給大壩墊層料、壩前面板結(jié)構(gòu)防滲系統(tǒng)的安全問(wèn)題帶來(lái)非常大的隱患。集參建各方共同的智慧，最終選取了最為合適的壩內(nèi)設(shè)置排水廊道(斜井)方案，達(dá)到了補(bǔ)救措施優(yōu)、施工干擾小、工程投資小(總投資約200萬(wàn)元)的目的，該項(xiàng)目的開(kāi)展雖是迫不得已的，但為面板堆石壩施工期反向排水解決類似問(wèn)題提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和反向排水設(shè)計(jì)新思路。但該問(wèn)題值得引以為鑒，面板堆石壩務(wù)必高度重視并做到：①施工期反向排水設(shè)計(jì)合理、可靠；②項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中對(duì)已形成的壩體反向排水系統(tǒng)做好保護(hù)。