深厚砂礫石覆蓋層基坑的防滲降水設(shè)計(jì)

深厚砂礫石覆蓋層基坑的防滲降水設(shè)計(jì)

1全廠(chǎng)國(guó)土開(kāi)發(fā)運(yùn)行真納水電站是中國(guó)企業(yè)按照epc模式修建的海外項(xiàng)目。本項(xiàng)目位于巴基斯坦伊斯蘭共和國(guó)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(chǎng)。樞紐工程由引水渠、廠(chǎng)房、尾水渠和開(kāi)關(guān)站等組成。電站安裝8臺(tái)單機(jī)容量為12MW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6.07億kW·h。電站廠(chǎng)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167.7m×64.234m×46.5m(長(zhǎng)×寬×高),廠(chǎng)房基坑開(kāi)挖的開(kāi)口線(xiàn)尺寸為230.1m×178.59m,基坑開(kāi)挖的一般深度為22m,最低開(kāi)挖深度達(dá)26.5m。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)139.43m/d,地下水埋深較淺,約為2m?；A(chǔ)的強(qiáng)滲透性給發(fā)電廠(chǎng)房基坑的防滲降水帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn),廠(chǎng)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(guò)詳細(xì)的地質(zhì)勘探和研究分析,真納水電站廠(chǎng)房基坑采用了高壓旋、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(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?同時(shí)在結(jié)構(gòu)物邊線(xiàn)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(guò)、滲過(guò)高噴防滲墻的地下水,通過(guò)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(lái)降低發(fā)電廠(chǎng)房基坑的地下水位至目標(biāo)高程(具體布置參見(jiàn)圖1)。2.1地表排水系統(tǒng)+范圍滲流方案對(duì)防滲墻+井群方案進(jìn)行平面計(jì)算,擬定廠(chǎng)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(cè)為13.75m,上下游側(cè)為11.43m;在基坑底部,發(fā)電廠(chǎng)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(guò)長(zhǎng)和浪費(fèi),且易使降水井周?chē)鷿B透坡降過(guò)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(guò)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(lái)進(jìn)行相關(guān)研究,以確定高噴防滲墻、降水井的深度等。在發(fā)電廠(chǎng)房基坑的地表面(約209.0m高程)設(shè)一圈排水溝;在204m高程平臺(tái)設(shè)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(shè)置一圈深度為1m的排水溝和兩個(gè)深度2～3m的集水坑。為確保廠(chǎng)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(chǎng)房基礎(chǔ)不會(huì)發(fā)生滲流破壞,保證工程順利施工。2.1.1維設(shè)計(jì)及三維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)排水溝為可選用防滲排水設(shè)施、以滿(mǎn)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(jiàn)表1、表2和表3。2.1.2設(shè)置高噴墻與降水井等共同作用的情況根據(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(wú)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(guò)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)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(wú)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。總之,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(wú)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(guò)綜合分析和經(jīng)濟(jì)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(jié)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(jì)算根據(jù)DL/T5200-2004《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100～200m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28m計(jì)算。沿板墻上下游的水頭分布見(jiàn)圖3。根據(jù)無(wú)限深透水地基繞一道板墻的滲流計(jì)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(shè)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(jì)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(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(jì)算起點(diǎn);hoj———設(shè)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(gè)井(第j井)井壁處的水頭降落因素。式中Sij———第j實(shí)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(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=4.5,a=13.75m,2L=570m,Ro=0.35m;經(jīng)試算,基坑內(nèi)側(cè)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(tái)水泵考慮,每臺(tái)泵排水量為250m3/h,總排水量為12000m3/h。發(fā)電廠(chǎng)房基坑總排水能力達(dá)到3.33m3/s,超過(guò)理論計(jì)算滲流量的15.7%。為了確?；痈擅嫔鲜┕?除配置48臺(tái)深井泵抽水外,在基坑工作面周邊設(shè)一道1m×1m的排水溝和2個(gè)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(tái)單臺(tái)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(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)行基坑內(nèi)排水。水泵數(shù)量及有關(guān)參數(shù)參見(jiàn)表5。2.5房基坑開(kāi)挖開(kāi)口線(xiàn)增設(shè)土工膜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(chǎng)房基坑開(kāi)挖開(kāi)口線(xiàn)外圍10m設(shè)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(guò)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0.5m,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(chǎng)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(yùn)行后的廠(chǎng)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(chǎng)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(yíng)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)致砂礫石基礎(chǔ)底部被掏空的風(fēng)險(xiǎn),有效地保護(hù)了基礎(chǔ)的完整性,避免了由于明抽強(qiáng)排導(dǎo)致破壞基礎(chǔ)而產(chǎn)生后續(xù)的基礎(chǔ)處理費(fèi)用?？傊?廠(chǎng)房基坑的防滲降水的效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,成功實(shí)現(xiàn)了基坑在干地上進(jìn)行施工的目標(biāo),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(lèi)似工程提供有價(jià)值的參考。y=(S1-S2)×{[sinv/(π/c)]-v/(π+1)}設(shè)v=0.05,0.1,…到1.0,試算得相應(yīng)y=11.84,11.68,…,8.85q=(k×H/π)arsh(x/S2)式中q———單