淺談孤山航電樞紐一期全年圍堰經常性排水施工技術

王秀紅

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710038)

1 概述

孤山航電樞紐位于漢江干流夾河～丹江口樞紐回水末端河段內，上距白河水電站壩址35 km，下距丹江口樞紐壩址179 km，主要任務以發電、航運為主。水庫正常蓄水位177.23 m，正常蓄水位以下庫容1.09億m3，水庫總庫容2.12億m3，電站裝機容量為180 MW(4×45 MW)，多年平均發電量5.90億kW·h，規劃航道等級為Ⅳ級。

為一期基坑開挖和廠房混凝土澆筑創造干地施工條件，結合漢江流域年徑流特征及樞紐壩址區域水文氣象條件，規劃制定采用高水高排、低水低排的經常性基坑排水措施。

2 水文氣象

2.1 水文條件

孤山航電樞紐位于安康水電站下游，壩址徑流由兩部分組成，一是安康電站水庫下泄徑流，二是安康～孤山兩壩址區間產生的徑流。根據常年數據統計，孤山壩址天然多年平均徑流量為247億m3，平均流量為783 m3/s，年徑流深為409 mm。其徑流年內、年際變化類似，樞紐壩址區域5月～10月汛期的徑流量為196億m3，占全年徑流量的79.4%，7月～9月126億m3，占年徑流量的51.0%，而11月～4月的徑流量為50.2億m3，僅占年水量的20.3%，見表1。樞紐壩址以上集水面積60440 km2，P(10%)=21500 m3/s，見表2。

表1 孤山壩址多年平均天然徑流年內分配表

表2 樞紐壩址設計洪水成果表 單位：流量，m3/s；洪量，億m3

2.2 氣象條件

漢江上游多年平均年雨量在700 mm～1800 mm之間，其分布由上游往下游，由南往北逐漸減少。壩址多年平均年降水量僅768 mm。據統計5月～10月降水量占全年降水的78.3%，其中7月～9月降水最為集中，約占全年降水的47.9%，7月～9月平均降雨量為123 mm，最大日降水量為160 mm。12月～1月降水量僅占全年降水的2.41%。

3 排水總體規劃

孤山航電樞紐導流采用分期導流的方式進行，一期采用左側原河床過水，進行右岸廠房施工。一期導流圍堰布置左側與縱向混凝土圍堰相接，右側與岸坡相接，上游圍堰軸線長度365.0 m，頂部高程181.7 m，下游圍堰軸線長度311.0 m，頂部高程179.0 m。圍堰頂寬均為8 m，迎水面坡比均為1∶2，背水面坡比均為1∶1.75。迎水側采用50 cm厚塊石護坡防護。圍堰堰基防滲采用高噴墻和帷幕灌漿，堰體采用復合土工膜防滲。

防洪標準采用10 a一遇洪水流量，相應的洪水流量為21500 m3/s，堰前達到的最高洪水位分別為上游迎水面水位為180.26 m，下游迎水面水位為177.0 m。一期全年圍堰經常性基坑排水充分利用汛期前河道水位低，汛期河道水位升高等季節性徑流特點，采用高水高排、低水低排工法布設兩道排水管進行抽排水，確保安全度汛要求[1]。

河道設計原理是水位在EL168.0 m以下時，利用EL168.0處低水位排水管進行抽排水，布設離心泵間歇性運行進行排水。汛期河道水位高于EL168.0時利用EL175.0處高水位排水管進行排水，布設離心泵進行不定期全天排水。同時，關閉EL168.0處排水管管道閘閥，防止河水倒灌。

4 經常性排水強度計算

4.1 汛期降水量

依據水文和氣象資料，圍堰經常性排水期間計算一期基坑日匯水體積為650 m3(基坑匯水面積取9.6萬m2)，按1天排完，遭遇設計降雨時基坑降雨排水強度約900 m3/h。

4.2 一期全年圍堰滲流量計算

圍堰滲流計算分為堰體、圍堰帷幕、堰基三個部分進行滲流計算，堰體為土工膜心墻防滲，相對滲水量很小。其次，將三部分滲流計算的滲流量累加，既為該圍堰的總滲流量。另外，圍堰帷幕和堰體滲水量相對圍堰基部滲流影響較小，在圍堰基部滲流計算后取系數進行補償。

依據達西定理計算滲流量的方法和以取定的相關參數，高噴灌漿滲流量：q=k×i×A，本項目相對圍堰基部滲流影響很小，在圍堰基部滲流計算后取系數進行補償。

依據《水利水電施工手冊第五卷施工導(截)流與度汛工程》圍堰地基滲水量計算表，根據單層透水地基的滲流計算公式：

式中：(H1-H2)為圍堰內外水頭差，堰外漢江水位取10 a一遇洪水水面最高程為180.26 m，底板高程按基坑最低高程125.8 m計，故圍堰內外水位差為54.46 m；T為防滲墻底到不透水巖層的距離，根據地質資料描述，防滲墻底到不透水層平均厚度為20 m左右；K1為堰基的滲透系數，K1<10 Lu=8.64×10-2m/d；l為圍堰滲徑，取105.00 m。n為系數，可根據L/T的比值為4.75，查得取1.17[2]。

計算得單寬滲流量q<0.766 m2/d，上下游圍堰軸線總長度為676.1 m；基坑計算滲水量Q<21.58 m3/h。

得出的總滲流量較實際情況可能會略為偏小，考慮防滲墻滲漏量等，將計算值乘以系數1.5，則滲水量Q=32.4 m3/h。

4.3 基坑滲流量計算

通過對基坑內滲水量每日監測，目前上游堰前水位EL164.8 m，基坑滲流量在700 m3/h～800 m3/h，同時進行滲流量與堰前水位變化關系研究，依據達西定律反算出圍堰遭遇10 a一遇洪水，即水位達到EL180.3 m，漢江流量達到21500 m3/s時，基坑滲流量將達到2967 m3/h。

綜上所述，基坑最大排水量為：2967+32.4+900=3900 m3/h，其中，上游圍堰堰內排水占總排水量的55%。

5 主要施工方法和施工工藝

5.1 主要施工方法

5.1.1 水泵坑布置

上游圍堰堰內共布置3個泵坑，為一主兩輔的布置形式。其中，主泵坑設計深度2 m～3 m，長34 m，寬15 m，容量1300 m3；泵坑底高程EL143.0 m～EL144.0 m。布置4臺12吋泵(單臺790 m3/h，揚程32 m，功率90 kW)，水泵揚程可滿足穿圍堰EL175.0 m排水，2臺12吋泵，揚程可滿足過圍堰EL181.7 m排水。

其余兩個水泵為輔助泵坑，其揚程可滿足穿圍堰EL175.0 m排水。啟動應急措施，采用主輔泵坑接力聯動抽排水作業。極端情況下，當汛期水位超過EL175.0 m，直接翻上游圍堰堰頂EL181.7 m，通過DN300PE管排水。

混凝土擋墻為重力式素混凝土擋墻，選用C20混凝土(二級配)進行澆筑，泵坑擋墻斷面為頂寬0.6 m、底寬1.5 m、高2 m，根據現場砂礫石層穩定性情況，坡比為1∶0.2～1∶0.3?；炷翐鯄εc基巖面有效連接，保證泵坑穩定，減少二次滲水。混凝土擋墻底部擋墻護腳，采用與擋墻同一級配混凝土，斷面尺寸0.3 m×0.3 m。

5.1.2 管路布置

出水管道采用2根DN400排水鋼管至圍堰外，支管DN300PE管與主管道相接。圍堰迎水側管道根據實際工作水泵揚程，設置管頭向上排水。具體施工根據河道水位以及汛期河道水位，泵坑至圍堰內側EL167.0高程布置一根DN400PE管，EL167.0～EL175.0高程沿圍堰內側布置一道DN400鋼管與PE管連接，在EL168 m、EL175 m分別設置兩道DN400鋼管穿圍堰排水；EL168.0、EL175.0兩處處管道水平穿過圍堰，與坡面排水管焊接，距離管道出口1 m位置分別安裝閘閥、逆止閥，見圖1。

圖1 上游圍堰高水高排、低水低排管路布置示意圖

每節管道長度在6 m～8 m，管道連接均采用法蘭連接。排水管基礎鋪設30 cm厚過渡料，兩側以及頂部回填20 cm過渡料，防止回填料損壞管壁。

5.1.3 排水管過圍堰土工膜特殊工藝施工

在EL168.0、EL175.0布置排水管道時需穿過圍堰土工膜，管道穿土工膜處焊接3 mm止水鋼板，鋼管與土工膜進行法蘭連接。止水板與排水管焊接處焊縫要飽滿，無砂眼。止水板與土工膜采用螺栓進行加固，接縫處采用瀝青等填縫材料進行填充，并在連接處上下各50 cm處設置一道土工膜伸縮節。伸縮節大樣見圖2。

圖2 上游圍堰穿土工膜伸縮節設計布置示意圖

5.2 強度分析

按基坑滲水的排水強度，推算在汛期遭遇設計洪水時，基坑上下游滲水總排水強度將達到3900 m3/h，堰內泵坑總容量為6900 m3，18臺12寸水泵銘牌抽水能力約12960 m3/h，實際出力按30%～40%計算，抽水量約3900 m3/h～5000 m3/h。

布置泵坑總容量6900 m3>排水強度3900 m3，泵坑坑底布置土工布并采用黏土防護，保證泵坑穩定，減少基坑內二次滲水。水泵抽排水能力大于排水強度，水泵揚程滿足排水需要，且保證在高水位運行條件下的出力。因此，該水泵布置可滿足汛期基坑滲水量及降水量3900 m3/h的排水強度，能保證基坑汛期排水順利安全。

6 關鍵技術及創新點

關鍵技術及創新點，該技術一方面有效地利用初期排水規劃排水系統作為經常性排水低水位運行排水系統。同時，初期排水和經常性排水相結合的方式進行設計具有以下的創新點：①采用初期排水和經常性排水相結合同時設計施工，分期實施的方式進行，節能減排效果顯著。②在抽排水管路設計時，堰內排水管路采用高、低水位排水管共用，采用安裝閥門的方式控制運行狀態方式確保安全度汛。③采用法蘭和土工材料相結合的方式確保排水鋼管穿越圍堰防滲體，防止產生滲流通道有效保證堰體安全。④采用控制站集中管理和自動抽排水裝在控制的方法進行控制。

7 結語

采用高水高排、低水低排的方法進行基坑抽排水。有效解決了汛期高水位條件下的基坑抽排水任務。同時，充分利用非汛期低水位運行的方法，合理的進行施工總平面布置，一方面節省抽水材料的用量。另一方面，充分利用氣象預報，流域水文站預報情況及時調整抽水系統的運行狀態，節約用電以達到節約成本的目的。