浅谈孤山航电枢纽一期全年围堰经常性排水施工技术

王秀红

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710038)

1 概述

孤山航电枢纽位于汉江干流夹河～丹江口枢纽回水末端河段内，上距白河水电站坝址35 km，下距丹江口枢纽坝址179 km，主要任务以发电、航运为主。水库正常蓄水位177.23 m，正常蓄水位以下库容1.09亿m3，水库总库容2.12亿m3，电站装机容量为180 MW(4×45 MW)，多年平均发电量5.90亿kW·h，规划航道等级为Ⅳ级。

为一期基坑开挖和厂房混凝土浇筑创造干地施工条件，结合汉江流域年径流特征及枢纽坝址区域水文气象条件，规划制定采用高水高排、低水低排的经常性基坑排水措施。

2 水文气象

2.1 水文条件

孤山航电枢纽位于安康水电站下游，坝址径流由两部分组成，一是安康电站水库下泄径流，二是安康～孤山两坝址区间产生的径流。根据常年数据统计，孤山坝址天然多年平均径流量为247亿m3，平均流量为783 m3/s，年径流深为409 mm。其径流年内、年际变化类似，枢纽坝址区域5月～10月汛期的径流量为196亿m3，占全年径流量的79.4%，7月～9月126亿m3，占年径流量的51.0%，而11月～4月的径流量为50.2亿m3，仅占年水量的20.3%，见表1。枢纽坝址以上集水面积60440 km2，P(10%)=21500 m3/s，见表2。

表1 孤山坝址多年平均天然径流年内分配表

表2 枢纽坝址设计洪水成果表 单位：流量，m3/s；洪量，亿m3

2.2 气象条件

汉江上游多年平均年雨量在700 mm～1800 mm之间，其分布由上游往下游，由南往北逐渐减少。坝址多年平均年降水量仅768 mm。据统计5月～10月降水量占全年降水的78.3%，其中7月～9月降水最为集中，约占全年降水的47.9%，7月～9月平均降雨量为123 mm，最大日降水量为160 mm。12月～1月降水量仅占全年降水的2.41%。

3 排水总体规划

孤山航电枢纽导流采用分期导流的方式进行，一期采用左侧原河床过水，进行右岸厂房施工。一期导流围堰布置左侧与纵向混凝土围堰相接，右侧与岸坡相接，上游围堰轴线长度365.0 m，顶部高程181.7 m，下游围堰轴线长度311.0 m，顶部高程179.0 m。围堰顶宽均为8 m，迎水面坡比均为1∶2，背水面坡比均为1∶1.75。迎水侧采用50 cm厚块石护坡防护。围堰堰基防渗采用高喷墙和帷幕灌浆，堰体采用复合土工膜防渗。

防洪标准采用10 a一遇洪水流量，相应的洪水流量为21500 m3/s，堰前达到的最高洪水位分别为上游迎水面水位为180.26 m，下游迎水面水位为177.0 m。一期全年围堰经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节性径流特点，采用高水高排、低水低排工法布设两道排水管进行抽排水，确保安全度汛要求[1]。

河道设计原理是水位在EL168.0 m以下时，利用EL168.0处低水位排水管进行抽排水，布设离心泵间歇性运行进行排水。汛期河道水位高于EL168.0时利用EL175.0处高水位排水管进行排水，布设离心泵进行不定期全天排水。同时，关闭EL168.0处排水管管道闸阀，防止河水倒灌。

4 经常性排水强度计算

4.1 汛期降水量

依据水文和气象资料，围堰经常性排水期间计算一期基坑日汇水体积为650 m3(基坑汇水面积取9.6万m2)，按1天排完，遭遇设计降雨时基坑降雨排水强度约900 m3/h。

4.2 一期全年围堰渗流量计算

围堰渗流计算分为堰体、围堰帷幕、堰基三个部分进行渗流计算，堰体为土工膜心墙防渗，相对渗水量很小。其次，将三部分渗流计算的渗流量累加，既为该围堰的总渗流量。另外，围堰帷幕和堰体渗水量相对围堰基部渗流影响较小，在围堰基部渗流计算后取系数进行补偿。

依据达西定理计算渗流量的方法和以取定的相关参数，高喷灌浆渗流量：q=k×i×A，本项目相对围堰基部渗流影响很小，在围堰基部渗流计算后取系数进行补偿。

依据《水利水电施工手册第五卷施工导(截)流与度汛工程》围堰地基渗水量计算表，根据单层透水地基的渗流计算公式：

式中：(H1-H2)为围堰内外水头差，堰外汉江水位取10 a一遇洪水水面最高程为180.26 m，底板高程按基坑最低高程125.8 m计，故围堰内外水位差为54.46 m；T为防渗墙底到不透水岩层的距离，根据地质资料描述，防渗墙底到不透水层平均厚度为20 m左右；K1为堰基的渗透系数，K1<10 Lu=8.64×10-2m/d；l为围堰渗径，取105.00 m。n为系数，可根据L/T的比值为4.75，查得取1.17[2]。

计算得单宽渗流量q<0.766 m2/d，上下游围堰轴线总长度为676.1 m；基坑计算渗水量Q<21.58 m3/h。

得出的总渗流量较实际情况可能会略为偏小，考虑防渗墙渗漏量等，将计算值乘以系数1.5，则渗水量Q=32.4 m3/h。

4.3 基坑渗流量计算

通过对基坑内渗水量每日监测，目前上游堰前水位EL164.8 m，基坑渗流量在700 m3/h～800 m3/h，同时进行渗流量与堰前水位变化关系研究，依据达西定律反算出围堰遭遇10 a一遇洪水，即水位达到EL180.3 m，汉江流量达到21500 m3/s时，基坑渗流量将达到2967 m3/h。

综上所述，基坑最大排水量为：2967+32.4+900=3900 m3/h，其中，上游围堰堰内排水占总排水量的55%。

5 主要施工方法和施工工艺

5.1 主要施工方法

5.1.1 水泵坑布置

上游围堰堰内共布置3个泵坑，为一主两辅的布置形式。其中，主泵坑设计深度2 m～3 m，长34 m，宽15 m，容量1300 m3；泵坑底高程EL143.0 m～EL144.0 m。布置4台12吋泵(单台790 m3/h，扬程32 m，功率90 kW)，水泵扬程可满足穿围堰EL175.0 m排水，2台12吋泵，扬程可满足过围堰EL181.7 m排水。

其余两个水泵为辅助泵坑，其扬程可满足穿围堰EL175.0 m排水。启动应急措施，采用主辅泵坑接力联动抽排水作业。极端情况下，当汛期水位超过EL175.0 m，直接翻上游围堰堰顶EL181.7 m，通过DN300PE管排水。

混凝土挡墙为重力式素混凝土挡墙，选用C20混凝土(二级配)进行浇筑，泵坑挡墙断面为顶宽0.6 m、底宽1.5 m、高2 m，根据现场砂砾石层稳定性情况，坡比为1∶0.2～1∶0.3。混凝土挡墙与基岩面有效连接，保证泵坑稳定，减少二次渗水。混凝土挡墙底部挡墙护脚，采用与挡墙同一级配混凝土，断面尺寸0.3 m×0.3 m。

5.1.2 管路布置

出水管道采用2根DN400排水钢管至围堰外，支管DN300PE管与主管道相接。围堰迎水侧管道根据实际工作水泵扬程，设置管头向上排水。具体施工根据河道水位以及汛期河道水位，泵坑至围堰内侧EL167.0高程布置一根DN400PE管，EL167.0～EL175.0高程沿围堰内侧布置一道DN400钢管与PE管连接，在EL168 m、EL175 m分别设置两道DN400钢管穿围堰排水；EL168.0、EL175.0两处处管道水平穿过围堰，与坡面排水管焊接，距离管道出口1 m位置分别安装闸阀、逆止阀，见图1。

图1 上游围堰高水高排、低水低排管路布置示意图

每节管道长度在6 m～8 m，管道连接均采用法兰连接。排水管基础铺设30 cm厚过渡料，两侧以及顶部回填20 cm过渡料，防止回填料损坏管壁。

5.1.3 排水管过围堰土工膜特殊工艺施工

在EL168.0、EL175.0布置排水管道时需穿过围堰土工膜，管道穿土工膜处焊接3 mm止水钢板，钢管与土工膜进行法兰连接。止水板与排水管焊接处焊缝要饱满，无砂眼。止水板与土工膜采用螺栓进行加固，接缝处采用沥青等填缝材料进行填充，并在连接处上下各50 cm处设置一道土工膜伸缩节。伸缩节大样见图2。

图2 上游围堰穿土工膜伸缩节设计布置示意图

5.2 强度分析

按基坑渗水的排水强度，推算在汛期遭遇设计洪水时，基坑上下游渗水总排水强度将达到3900 m3/h，堰内泵坑总容量为6900 m3，18台12寸水泵铭牌抽水能力约12960 m3/h，实际出力按30%～40%计算，抽水量约3900 m3/h～5000 m3/h。

布置泵坑总容量6900 m3>排水强度3900 m3，泵坑坑底布置土工布并采用黏土防护，保证泵坑稳定，减少基坑内二次渗水。水泵抽排水能力大于排水强度，水泵扬程满足排水需要，且保证在高水位运行条件下的出力。因此，该水泵布置可满足汛期基坑渗水量及降水量3900 m3/h的排水强度，能保证基坑汛期排水顺利安全。

6 关键技术及创新点

关键技术及创新点，该技术一方面有效地利用初期排水规划排水系统作为经常性排水低水位运行排水系统。同时，初期排水和经常性排水相结合的方式进行设计具有以下的创新点：①采用初期排水和经常性排水相结合同时设计施工，分期实施的方式进行，节能减排效果显著。②在抽排水管路设计时，堰内排水管路采用高、低水位排水管共用，采用安装阀门的方式控制运行状态方式确保安全度汛。③采用法兰和土工材料相结合的方式确保排水钢管穿越围堰防渗体，防止产生渗流通道有效保证堰体安全。④采用控制站集中管理和自动抽排水装在控制的方法进行控制。

7 结语

采用高水高排、低水低排的方法进行基坑抽排水。有效解决了汛期高水位条件下的基坑抽排水任务。同时，充分利用非汛期低水位运行的方法，合理的进行施工总平面布置，一方面节省抽水材料的用量。另一方面，充分利用气象预报，流域水文站预报情况及时调整抽水系统的运行状态，节约用电以达到节约成本的目的。