猴子岩面板堆石坝施工期反向排水系统的设计与运行

朱 永 国， 唐 珂， 戴 绘

(国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川 康定 626001)

1 工程概况

猴子岩水电站是大渡河干流水电梯级开发规划的第9个梯级电站，电站装机容量1 700 MW(425 MW×4台)。坝址控制流域面积54 036 km2，多年平均流量774 m3/s。水库正常蓄水位1 842 m，相应库容6.62亿m3。电站主要枢纽建筑物包括混凝土面板堆石坝、左岸深孔泄洪洞和非常泄洪洞(结合1#导流洞改建)、右岸溢洪洞和泄洪放空洞、右岸地下引水发电系统等。施工期间采用隧洞导流，两条导流洞等高程平行布置于左岸，进口底板高程1 698 m，出口底板高程1 693 m。

面板堆石坝最大坝高223.5 m，坝顶长度278.35 m，坝顶宽度13.2 m。坝体自上游面至下游面大致分为：辅助防渗铺盖、混凝土面板、垫层料、过渡料、堆石料、大块石护坡、坝脚压重体。坝体上游坝坡1∶1.4，下游坝坡考虑坝后“之”字形道路的综合坡比1∶1.6。坝体填筑方量963万m3(其中上游铺盖填筑量66万m3)。为有效监测运行期坝体渗流量，结合坝后量水堰设一道防渗墙，防渗墙基础嵌入基岩1 m，两端与岸坡结合部设30 m深扇形帷幕以确保阻渗效果。

2 地质特点

猴子岩面板堆石坝河谷特别狭窄，属典型的“V”型河谷。两岸地形陡峻，临河山体坡度约60°～65°，临河坡高大于800 m。两岸山体为厚层―巨厚层状(局部薄层状)白云质灰岩、变质灰岩，夹含绢云母变质灰岩等，岩石总体上坚硬完整，分布少量层间挤压破碎带和断层破碎带。前期地质钻孔揭示：1 700 m高程以上两岸山体浅表卸荷发育，深部发育有溶孔、溶隙，存在深卸荷裂隙，两岸地下水水平埋藏较深。天然河床(高程1 700 m)以下岩溶发育，地下水低缓但活动频繁，水力联系较强。[1]

坝址河床覆盖层最深达75 m，自下而上分为四层：第①层为含漂(块)卵(碎)砂砾石层，厚约10 m～40 m，结构较密实，透水性强，承载力较高。第②层为粘质粉土，连续分布，一般厚13 m～20 m，微透水，承载力低，抗变形能力弱,为可能液化土层，对坝坡稳定和大坝的应力变形影响较大。第③层为含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层，厚度约5 m～26 m，结构稍密实，透水性较强。第④层为孤漂(块)卵(碎)砂砾石层，厚度约3 m～15 m，结构较松散，强透水。由于第②层影响坝体稳定、必须挖除。因此，轴线下游保留河床覆盖层第①层、第②层及其上部覆盖层全部挖除；坝轴线上游大部分开挖至基岩，建基面高程1 627 m～1 631 m，最低高程约1 625 m，河床趾板基础用混凝土回填至1 635 m高程。

由于河床基坑开挖深度达75 m，上下游围堰相距约1.2 km，基坑汇水面积大，开挖施工过程中在大坝基坑上、下游设置了分级抽排水系统，总体抽排水能力按照9 950 m3/h配置[2]。施工期间实测基坑渗水量约1 400～1 800 m3/h。单独就猴子岩面板堆石坝而言，由于基坑深、河谷深切、两岸山体深层卸荷裂隙发育、地表降雨汇水面积大、近1/3坝高位于原河床以下且坝体下游设有防渗墙等原因，导致坝体反向排水具有特有的技术难度与挑战，本文拟专门介绍本工程堆石坝体施工期反向排水系统的设计方案与运行情况。

3 坝体反向排水系统设计

3.1 坝体反向排水量估算与总体方案

国内外曾发生多起面板堆石坝施工期间因坝体内反向排水不畅而破坏上游坝坡或面板的案例。因为垫层料为相对不透水层，当坝体内外水位差高于垫层料坡面或面板的承受能力时就必然发生垫层料的渗透破坏，甚至可能导致面板发生失稳破坏、止水结构被拉裂。因此，在坝体填筑施工期间，包括在面板混凝土施工完成后、大坝上游铺盖填筑前，坝体内的积水必须及时排出。面板堆石坝施工期坝体内积水主要来源于两岸山体地下水(包括上下游围堰绕渗、导流洞渗水等)、地表降雨下渗、堆石料碾压加水和施工弃水等。

在坝基河床覆盖层开挖过程中，对坝体范围内两岸山体地下水、包括上下游围堰绕渗、导流洞渗水等已有比较准确地数据，枯期约500 m3/h。考虑到汛期降雨、碾压加水和施工弃水等因素，猴子岩面板堆石坝坝体反向排水量估算约1 000 m3/h。

由于猴子岩大坝基坑深达75 m，综合考虑后期坝体反向排水系统的封堵施工以及封堵期间的面板安全，坝体反向排水系统设计为分级抽排方案，具体分为上游反向排水系统和下游排水竖井。上游反向排水系统负责上游排水竖井井口高程(约1 660 m)以下辅助防渗铺盖填筑完成前的坝体反向抽排水。下游排水竖井负责上游排水竖井封堵、以及高程1 660 m至1 690 m坝前辅助防渗铺盖填筑期间的坝体抽排水。

3.2 上游反向排水系统

上游反向排水系统平面图、剖面图分别如图1、图2所示。

图1 上游反向排水系统平面图

大坝施工期间，坝体内积水主要通过8根DN325的排水钢管(每根长约43 m)排至坝前集水井，再通过基坑抽排水系统将水排至基坑外。排水钢管埋设高程1 635.00 m。为了使坝体内积水能够及时有效汇集排除，在坝体上游桩号(坝)0-257.60 m处布置一水平排水暗沟和两个内径为2 m的排水竖井，排水钢管伸入排水暗沟和排水竖井中。排水暗沟采用粒径为2 cm～10 cm的碎石料回填，排水竖井结构布置型式从内至外分别为钢筋笼、铁丝网、粒径为2 cm～10 cm的碎石料、过渡料等。排水竖井和排水暗沟底部为坝基开挖后的基岩面，高程约1 630 m。排水暗沟顶部略高过排水钢管，排水竖井顶部高程为1 665.29 m。

3.3 下游反向排水竖井

下游反向排水竖井的平面布置图和剖面图分别如图3、图4所示。下游反向排水竖井布置于坝体下游的坝后压重体内、坝后量水堰防渗墙的上游侧，竖井底部高程为1 652 m(即保留的河床覆盖层第①层的顶部高程)，顶部高程为1 690 m(坝体施工期压重体平台高程)。排水竖井的结构型式同上游排水竖井。为与竖井外侧坝体填筑料一致、防止坝基砂砾石层细颗粒流失，竖井底部铺填1.6 m厚反滤料。

图2 上游反向排水系统剖面图

图3 下游反向排水竖井平面布置图

4 坝体反向排水系统运行

猴子岩面板堆石坝于2013年6月开始坝体堆石料填筑，上游排水竖井、排水暗沟、排水钢管于2013年10月初形成并投入运行，2014年11月至2015年1月完成一期面板(高程1 738 m以下)混凝土施工，2015年4月进行上游坝体反向排水钢管封堵，2015年5月至6月完成坝前1 665 m高程以下辅助防渗铺盖回填与排水竖井封堵施工，2015年7月至9月完成坝前高程1 665 m至1 690 m辅助防渗铺盖回填施工；2015年12月完成坝体填筑施工，2016年2月至5月完成二期面板(高程1 738 m～1 810 m)混凝土施工，2016年6月完成下游排水竖井回填封堵施工。

施工期坝体反向排水系统的运行大体分为三个阶段：

第一阶段：2013年10月～2015年4月，坝体内积水由8根DN325钢管排至坝前集水井。这期间，坝体反向排水量约400～600 m3/h。

第二阶段：2015年4月～2015年6月，坝体内积水由上游2个排水竖井排至坝前集水井，每个竖井内安装一台深井泵(扬程80 m、功率165 kW、抽水能力400 m3/h)。这期间，坝体反向排水量约400～600 m3/h。

图4 下游反向排水竖井剖面图

第三阶段：2015年7月～2016年6月，坝体内积水由下游2个排水竖井排至下游河道，每个竖井内安装一台深井泵(扬程80 m、功率165 kW、抽排能力400 m3/h)。其中，2015年9月坝前高程1 690 m以下辅助防渗铺盖施工完成、大坝本身已不再要求坝体反向排水。随后下游排水竖井控制抽排水量、坝体内水位缓慢上升至1 685 m高程后停止抽排水。2015年10月以后坝体内积水通过坝后两岸山体卸荷裂隙排泄至坝后尾水基坑、再抽排至下游河道。2016年3月至4月,因尾水基坑和尾水洞出口段衬砌施工,利用坝体下游反向排水竖井抽排水将坝体内水位控制在1 670 m左右。这期间，尾水基坑抽排水量最小值约400 m3/h。

大坝周边缝各渗压计测点所监测的坝体内水位过程线(图5)，与坝体反向排水系统的运行情况完全一致。

图5 周边缝渗压计监测的坝体内水位过程线(PDB-25为坝前基坑水位)

5 结 语

猴子岩面板堆石坝最大坝高223.5 m，基坑深达75 m，再加上河谷深切、两岸山体深层卸荷裂隙发育、地表汇水面积大、近1/3坝高位于原河床以下且坝体下游设有防渗墙等原因，导致坝体反向排水具有特有的技术难度与挑战。针对本工程基坑深、坝体反向排水量较大等自身特点，设计人员创新提出了分级抽排水方案。通过实际运行表明，无论是在坝体填筑施工期、还是在坝体反向排水封堵与坝前辅助防渗铺盖回填施工期间，坝体上游垫层料坡面和混凝土面板均未受到坝体反向排水的任何不利影响，说明猴子岩面板堆石坝施工期坝体反向排水系统的设计方案是成功的。同时，通过回顾施工期间坝体反向排水系统的运行情况，我们可知猴子岩面板堆石坝坝体范围内的两岸山体地下水枯水期来水量约400 m3/h。