兴隆水利枢纽深井快速降水施工方案优化及应用

2012-08-31李丹丹徐申飞闫志勇李建国

河南水利与南水北调 2012年22期

□李丹丹 □徐申飞 □吴祯 □闫志勇 □李建国

（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1.概述

兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，上距丹江口枢纽378.3 km，下距河口273.7 km由泄水闸、船闸、电站厂房、鱼道、两岸漫滩地过流段及交通桥组成，正常蓄水位36.2 m，水库总库容4.85亿m3，灌溉面积21.84 hm2，规划航道等级Ⅲ级，电站装机40 MW。

兴隆枢纽泄水闸、电站厂房、船闸三大主体在同一基坑，采用围堰挡水，基坑面积约92万m2，围堰防渗采用全封闭式，EL35～36 m以下为80 cm厚塑性混凝土防渗墙，深约60 m，以上接土工合成材料。

三大主体建筑主要布置在河槽段和右侧漫滩，河槽段地面高程EL27.97～29.53 m，右岸漫滩地面高程为EL37.9 m，相应建基面高程为EL25～27 m，EL6.7～10.2 m和EL17.0 m。

根据设计勘察资料，从地面至EL3.5～5.0 m为粉质壤土及粉细砂，厚约24.47～34.4 m；EL3.5～5.0 m至EL-5.0 m为卵石层，厚约8.5～10.0 m；EL-5.0至EL-20 m为砂卵石，厚约15.0 m，以下为砂岩，渗透系数为5.0×10-4cm/s。地下水位在地面以下1.0～2.0 m。

2.深井降水初步设计方案

基坑开挖施工前，四周防渗墙已形成，但根据设计文件提供数据：厂房基坑坑底砂层垂直和水平出逸比降分别为0.36和0.14，墙底比降为25.78，单宽流量为28.88 m3/d·m；泄水闸基坑坑底粉细砂垂直水平出逸比降分别为0.14和0.26，墙底比降为17.07，单宽流量为10.60 m3/d·m。坑底粉细砂比降均超出其允许比降，因此，采用降水措施降低基坑内地下水位，避免基坑底部及边坡出逸，对基坑的渗透稳定性极其重要。

基坑降水时，基坑总涌水量与防渗墙下的砂岩（Ejh）的渗透系数关系密切，该层渗透系数取5.0×10-4cm/s，根据设计文件要求，厚度取100 m进行渗流计算，渗流计算成果如下：

二维渗流计算结果表明，厂房基坑坑底砂层垂直和水平出逸比降分别为0.36和0.14，墙底比降为25.78，单宽流量为28.88 m3/d·m；泄水闸基坑坑底粉细砂垂直水平出逸比降分别为0.14和0.26，墙底比降为17.07，单宽流量为10.60 m3/d·m。坑底粉细砂比降均超出其允许比降，因此，采用降水措施降低基坑内地下水位，避免基坑底部及边坡出逸，对基坑的渗透稳定性极其重要。

如果厂房基坑开挖高程为11.0 m，当江水位达到设计洪水位40.85 m时，在厂房周围布设20口抽水井，围堰基坑水位基本可满足基坑开挖要求，总抽水量为42035.8 m3/d；江水位为32.18 m时，基坑涌水量为27213.0 m3/d；江水位为36.74 m时，基坑涌水量为33121.7 m3/d；当江水位为39.36 m时，基坑涌水量为36269.9 m3/d。

根据以上计算结果，为避免基坑底部及边坡出逸，保证基坑旱地施工，决定采用深井降水措施降低基坑地下水位。按各建筑物对降水的要求，初步降水方案拟定在船闸基坑和电站厂房基坑开挖线以外周圈布置了44口降水井，呈两个相连的矩形布置；在泄水闸左侧顺水流方向布置了9口降水井，成“一”型，共计布置53口降水井。降水井间距约为40 m，底部高程均为EL-20.0 m，成井直径35 cm。基坑降水深井布置见图1。

图1 基坑降水深井布置图

3.现场抽水试验

3.1 试验目的及方法

为确保基坑降水工作顺利进行，满足枢纽建筑施工的需要；了解含水层富水性及其相互间的水力联系；确定抽水井的实际出水量、特征曲线、推算最大出水量、单位涌水量；检验成井设备的适应性及成井质量；验证初步降水方案的可行性和为进步优化提供依据。现场参照《水利水电工程钻孔抽水试验规程》（SL320-2005）中的试验方法进行常规抽水试验。

3.2 抽水试验内容及布置

根据规程规范要求、结合深井降水布置及现场实际情况，在船闸和电站厂房之间布置了3口试验井，试验井水顺水流方向成“一”字布置，井距40.0 m，井深50.0 m。抽水观测方式为“抽一观二”，按三个落程进行了稳定流抽水试验。

3.3 抽水试验成果分析

5月31日至6月2日现场进行了抽水试验，试验开始现将控制阀门关至较小的位置，使水量控制在66 m3/h左右，第二落程开始后打开控制阀门，使水量控制在100 m3/h左右，第三落程开始后将控制阀全部打开，以最大流量进行试验。

3.3.1 试验标准

稳定延续时间为8 h；抽水试验稳定标准应符合下列要求：一、出水量、水位没有持续上升或下降的变化趋势；二、抽水井的动水位波动值在延续时间内≤3 cm，观测井的动水位波动值在延续时间内≤1 cm；三、出水量波动值在延续时间内≤该段平均出水量的5%；静止水位观测标准为每30 min观测一次，2 h内变幅≤1 cm，且无连续上升或下降即可认为稳定。随后对试验原始数据进行分析绘制了抽水主井Q～t过程曲线、单井抽水主井及观测井S～t过程曲线及Q-t曲线图见图2。

图2 S-t曲线及Q-t曲线图

经对抽水试验数据整理分析，得出以下结论：

渗透系数自上而下呈递增趋势，平均渗透系数67.74 m/d，设计要求抽水井抽水影响半径>700 m，推算最小影响半径约717.9 m，满足设计影响半径要求。本次试验抽水井平均出水量99.58 m3/h，降深8.13 m。推算达到设计降深的单井涌水量约为200 m3/h，远远大于原设计单井最大排水量87.6 m3/h。根据试验结果，按初步降水方案布置降水系统，很难满足基坑降水要求。通过成井施工，探查到在 EL5.0～3.5 m至EL-5.0 m之间有一层粒径在5～10 cm的卵石层，透水极强，漏浆严重，极易塌孔，采用清水护壁无法成孔，必须采用有效的护壁措施，方可成孔。

4.深井快速降水施工方案优化

本工程6月初开始深井降水试验，要求在7月15日电站厂房地下水位降至EL9.2 m。工期紧、任务重，按照抽水试验结果，对降水设计方案进行复合演算，很难满足施工期降水要求。针对以上情况，本工程对深井降水方案进行了优化。

4.1 井管优化

根据设计要求，井管采用Φ350 mm卷壁钢管，壁厚6 mm，花管自行加工，钻孔孔径25 mm，横向钻孔孔心间距为50 mm，纵向钻孔孔心间距为45 mm，梅花布置，花管透水孔数量约为25%。花管采用钢管自行加工工期长，成本高。为压缩加工工期、降低成本，通过市场调查了解到目前市场上有类似规格成批生产的钢筋混凝土管、无砂管和桥式钢管等滤管，并已取得很好的使用效果，工艺成熟。因此，花管透水孔数量约为33%时，Φ360 mm的钢筋混凝土滤管代替钢井管，经抽水试验证明能满足设计要求，且比原设计花管效果更佳。

4.2 成井工艺优化

根据原设计要求，深井降水成井钻孔采用清水护壁，结合本工程实际地质结构情况，若采用清水护壁的方式，钻井将无法进行，为了确保施工安全，加快施工进度，经方案优化本工程采用泥浆护壁的方式进行施工，采用膨润土加碱制备泥浆护壁。在穿越砂砾石层漏浆严重时，在泥浆中掺入适量的锯木。为了保证含水层的透水效果，洗井时先采用焦磷酸钠溶液对降水井进行浸泡，软化泥皮，然后采用13 m3空压机进行反复冲洗，直至出水量达到或超过设计要求排水量。最终施工过程较为顺利，使用效果较佳。

4.3 降水方案优化

根据抽水试验计算结果，基坑深井降水最大单井排水量需达到200 m3/h，但根据基坑降水设计说明，当上游水位EL40.85时，需要的单井最大排水量才87.6 m3/h，远远小于实际试验数据，试验时的地下水位为EL24.9，要求降低地下水位至EL6.7，降水深度为18.2 m，基坑总面积约为92万m2，采用二维渗透设计不合适，达不到设计降水状态。

兴隆枢纽总布置从左至右依次为泄水闸、电站厂房、船闸，基坑底高程分别为EL25.0 m，EL6.7 m，EL17.0 m，厂房距船闸中心距离为100 m。根据结构物的布置情况可以看出初步降水方案采用相同井深、相同间距布置明显不合理，综合以上情况初步降水方案必须进行优化。

从兴隆水利枢纽总布置可看出，电站厂房基坑在船闸和泄水之间，建基面最低，必须快速降低电站厂房基坑地下水位，即可有效的控制整个基坑的地下水位，因此深井降水的关键是电站厂房。根据现场抽水试验显示，该地层的渗透系数和影响半径均较大，具备进行快速降水的条件。为了加快基坑降水，首先对深井降水总体设计思路进行调整，以快速降低电站厂房基坑地下水位为重点，增加电站厂房基坑周围的深井降水能力，使其尽快产生大井效应，干扰整个基坑地下水位；对大井效应影响范围以外采取明沟和深井相结合的降水措施进行局部降水。其次是对深井降水设计计算边界条件选择进行调整，整个水利枢纽围堰采用防渗墙防渗，并已伸入砂岩，基坑面积92.0 m2，而电站厂房基坑约4.0万m2，距离上下游围堰250 m，基坑内粉细砂含水量34%。电站厂房降水面积相对整枢纽基坑来说面积非常小，距离上下游围堰远、粉细砂的本身含水量较高，因此电站厂房前期降水应采用潜水、完整井无限补给计算公式设计；而后期随着地下水位不断降低，粉细砂含水量缺失，深井降水可采用二维渗透计算设计。根据以上情况分析决定对初步降水方案采取以下优化措施。

电站厂房左侧距离右纵围堰2.0 km控制范围较大，而初步降水方案在电站厂房左侧只布置了10口径井，降水能力不足，因此拟定在厂房基坑左侧增加7口深井，加大降水能力，以达到及时拦截和抽排泄水闸向电站厂房渗透的地下水。

从设计地质勘察资料和现场试验数据可看出，基坑内含水层有粉细砂和砂砾石层组成，上层为粉细砂，下层为砂砾石。砂砾石层渗透系数大于粉细砂层一个数量级，具有一定承压性。根据这一情况电站厂房降水拟定采取分级降水，降水井分内外圈布置。外圈降水井按初步降水方案布置，在电站厂房左侧进行加密。内圈在厂房结构物四个角增设5口2.0 m直径的大降水井，以控制砂砾石层的承压水头，达到快速降低厂房基坑地下水目的。增设大井距离结构物边线10.0 m，井口高程为EL20.0，井深15.0 m，滤管为自制，井内布置3台120 m3/h的潜水泵。

取消船闸右侧和泄水闸左侧降水井。鉴于泄水闸较长，为防止前期降水不能满足泄水闸开挖施工需要，在泄水闸结构物边线布置两条排水明沟至降水井附近，加快泄水闸降水速度。

5.深井降水系统运行情况及降水效果

兴隆水利枢纽深井降水系统5月初开始进行现场抽水试验，6月底开始投入运行，8月中旬地下水位已控制在9.0高程左右。经过对初步降水方案进行一系列优化后，仅用了3个月就完成了降水系统建设，并使地下水位控制在设计要求范围内。地下水位最快一个月降低深度达到14 m，7月份还经历了10年一遇洪水考验。现在泄水闸和船闸基础处理已完成，电站厂房地下水也已控制在EL6.5高程以下，整个枢纽均在旱地施工，达到了预期效果。现已从降水阶段转入运行控制阶段，地下水位控制稳定。