深厚砂砾石覆盖层基坑的防渗降水设计

深厚砂砾石覆盖层基坑的防渗降水设计

1全厂国土开发运行真纳水电站是中国企业按照epc模式修建的海外项目。本项目位于巴基斯坦伊斯兰共和国和外交部附近莫拉巴市下游约5公里的真纳河港右岸。利用真纳河港形成的水位下降，挖一条明渠，然后建造工厂。枢纽工程由引水渠、厂房、尾水渠和开关站等组成。电站安装8台单机容量为12MW的竖井贯流式发电机组,总装机容量96MW,多年平均发电量6.07亿kW·h。电站厂房坐落在原主河床深达100～200m的砂砾石深厚覆盖层上,其结构尺寸为167.7m×64.234m×46.5m(长×宽×高),厂房基坑开挖的开口线尺寸为230.1m×178.59m,基坑开挖的一般深度为22m,最低开挖深度达26.5m。砂砾石基础含水层的平均渗透系数112.08m/d,最大渗透系数达139.43m/d,地下水埋深较浅,约为2m。基础的强渗透性给发电厂房基坑的防渗降水带来巨大的挑战,厂房基坑的防渗降水处理是否成功直接影响到工程总体施工进度和工程的质量与安全,乃至整个工程建设的成败。针对工程区域砂砾石覆盖层深、渗透系数大、地下水埋深浅等较为特殊的地质、水文条件,结合以往工程经验,经过详细的地质勘探和研究分析,真纳水电站厂房基坑采用了高压旋、摆喷灌浆防渗墙与降水井群相结合的防渗降水方案,安全成功地将基坑内的地下水位降至目标高程,达到在建基面进行干地施工的目的,取得了良好的效果。2地面一截一抽的降水模式高压旋、摆喷灌浆防渗墙与降水井群防渗降水设计,可归纳为:截、抽结合,即在结构物基坑外围设置一道临时的高压旋、摆喷灌浆防渗墙,截断流向基坑的地下水,同时在结构物边线外围,临时高喷灌浆防渗墙内侧,设置一道降水深井群抽排绕过、渗过高喷防渗墙的地下水,通过一截一抽的方式,结合基坑底部与地表排水沟的防渗、抽排降水设计方法,来降低发电厂房基坑的地下水位至目标高程(具体布置参见图1)。2.1地表排水系统+范围渗流方案对防渗墙+井群方案进行平面计算,拟定厂房基坑外圈为一排连续高喷防渗墙,墙厚平均0.6m;内圈为一排降水井群,降水井井径0.7m,间距为:左右侧为13.75m,上下游侧为11.43m;在基坑底部,发电厂房永久结构外围,布置一圈排水沟和两个集水坑用于自然降水形成的地表水和其它渗漏水的排水。降水井的深度直接影响降水效果。井太浅,达不到降水目的;太深则造成工期过长和浪费,且易使降水井周围渗透坡降过大,造成渗透破坏;降水井的深度与渗透坡降成正比,从降低成孔难度和减少护壁措施的角度考虑,单圈井设置又不宜过深。因此,选用地表排水沟+外圈高喷墙+内圈井+基坑底部排水沟方案进行二维计算来进行相关研究,以确定高喷防渗墙、降水井的深度等。在发电厂房基坑的地表面(约209.0m高程)设一圈排水沟;在204m高程平台设置一道高喷墙,拟定深度分别为24m、28m、30m;在194m高程布置一圈排水井,拟定深度分别为16m、20m、24m、28m;在基坑底部(187m高程)设置一圈深度为1m的排水沟和两个深度2～3m的集水坑。为确保厂房施工在干地上进行和控制施工成本,对上述不同组合进行了详细的分析计算,以确定最优方案,并采取相应的防渗、抽水和排水措施,确保厂房基础不会发生渗流破坏,保证工程顺利施工。2.1.1维设计及三维分析首先从二维渗流计算研究基坑的排水工作效应。以地表排水沟、高喷防渗墙、降水井和基础排水沟为可选用防渗排水设施、以满足基坑施工期干地施工为条件,分析排水沟、防渗墙、降水井的主要参数(如长度、深度等)变化对基坑渗流场特性的影响。(1)采用高喷防渗墙、降水井和排水沟的长度、深度等参数建立二维计算模型,如图2所示。(2)计算成果分析参见表1、表2和表3。2.1.2设置高喷墙与降水井等共同作用的情况根据上述计算方案,变化高喷墙的深度和降水井(在二维分析中,实际上是深沟)的尺寸和深度分别进行计算,从计算结果可以得出:(1)当高喷墙因受施工、经济条件等因素限制而无法达到下卧相对不透水层时,悬挂式高喷墙随着其深度加大,通过基础的渗流流量呈下降趋势。(2)设置高喷墙后,将抬高旋喷墙前的地下水位,降低高喷墙后的地下水位。(3)设置单圈排水井后,使排水井周边土体内的渗透坡降明显增大,并且随着排水井深度的增加,井周边土体内的渗透坡降也逐渐增加。(4)仅布置高喷墙,地下水将从基坑周边边坡渗出,无法保证基坑干燥,只有设降水井才可以直接把井后水位降至基坑底面以下。(5)随着井深度的加大,高喷墙的作用将逐渐减小。(6)随着高喷墙深度的增加,井周边土体的渗透坡降会有减少。(7)设置一圈降水井后,使降水井周边土体内的渗透坡降明显减少。总之,只设置高喷墙作为阻隔渗透水,其降低墙后浸润面高度的作用有限,无法保证基坑干面施工。高喷墙与降水井共同作用后可降低土体周边浸润面高度,保证基坑干面施工。经过综合分析和经济比较后,采用表1中的I-1工况,即28m高喷防渗墙(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,可利用高喷防渗墙底部多年沉积胶结约2m厚砂砾石层作防渗挡水底板,减少基坑底部的渗漏流量。2.2透水成本lmf计算根据DL/T5200-2004《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》,结合以往工程施工经验,高喷墙孔距定为1m,孔深为28m。砂砾石层厚度在100～200m范围,从成本和目前的施工技术考虑,按悬挂式高喷防渗墙设计,高喷墙深度按28m计算。沿板墙上下游的水头分布见图3。根据无限深透水地基绕一道板墙的渗流计算公式:式中h———沿板墙上下游水头,m;H———墙前后水位差,206-194=12m;v———变数,v随y而变,用下式试算(可设v=0.05,0.1,…到1.0)。式中S1———墙前水深,206-176=30mS2———墙后水深,194-176=18m。式中c值为δ=S1/(S1-S2)的函数,可用下表4内插求得。根据下式计算可确定渗透流量k———渗透系数,取k=1.12×102m/d;取高喷防渗墙至降水井的平均距离为x=25m,渗透坡降J=0.206。经试算出28m高喷防渗墙底部理论最大单宽渗流量q=484m3/d(5.06×10-3m3/s),基坑最大渗漏水量226512m3/d,即2.62m3/s。2.3群井群井的间距群井中任意一个井(第j井)的井壁处水头降落(等间距排成矩形的群井)内侧群井上游水位194m高程,井内抽水水位183m高程。式中H———井前水深,194-178=16m,178m为计算起点;hoj———设置井内水深,183-178=5m;k———渗透系数,取1.3×103m/s;Fw———群井任意一个井(第j井)井壁处的水头降落因素。式中Sij———第j实井到第i虚井的距离;Qi、Qj———i、j井内的涌水量,m3/s。假定Qi=Qj=Q;对于规则排列的群井,则井系中心式中a———井间距;i———井系中心的井;n———井系个数;2L———实井到虚井的距离。对于右侧,n=9个,i=4.5,a=13.75m,2L=570m,Ro=0.35m;经试算,基坑内侧共需布置48口降水井,每口降水井排水量为216m3/h,总排水量为10368m3/h。2.4基坑渗流量的调整按配置48台水泵考虑,每台泵排水量为250m3/h,总排水量为12000m3/h。发电厂房基坑总排水能力达到3.33m3/s,超过理论计算渗流量的15.7%。为了确保基坑干面上施工,除配置48台深井泵抽水外,在基坑工作面周边设一道1m×1m的排水沟和2个2m×3m约4m深的集水坑,把其他自然形成的地表水经排水沟汇入集水坑内,采用2～4台单台排水量为400m3/h的离心泵抽排至基坑外围的地表排水沟。根据现场工作面的渗漏水情况,调整排水沟、集水井位置和深度等参数,选择合适数量的离心泵进行基坑内排水。水泵数量及有关参数参见表5。2.5房基坑开挖开口线增设土工膜地表排水沟的作用是将各抽水点的排水汇合后排向基坑外围下游。因真纳水电站工程区砂砾石基础的渗透系数很大,在距厂房基坑开挖开口线外围10m设置一道断面如图4的排水沟,排水沟底部按约1/100的坡比控制。排水沟过水面(约1m水深)铺设土工膜后,三面浇筑混凝土硬化,土工膜接口搭接长度不小于0.5m,用胶水粘结,两侧沟边土工膜顶部采用直径12mm钢筋固定于坡面上。排水沟在发电厂房下游墙处汇合,将水排向基坑外围的尾水出口。3降水效果分析高喷灌浆防渗墙和降水井群相继建成并投入运行后的厂房基坑的防渗降水效果显著:高喷灌浆防渗墙堵截了大部分流向基坑的地下水,全部水泵运行后,实现了厂房基坑保持干燥施工的目标;可以多点多面同时大规模施工,可较大地缩短施工工期,降低工程施工的管理成本,为后续的主体工程施工赢得了宝贵时间,确保主体工程施工按计划进行;高喷灌浆防渗墙堵截了大部分流向基坑的地下水,大大减少了基坑的排水量,节省了高额的抽水费用;降水井群形式的排水措施相对于明抽强排,有效地防止了因抽水携带大量细砂而导致砂砾石基础底部被掏空的风险,有效地保护了基础的完整性,避免了由于明抽强排导致破坏基础而产生后续的基础处理费用。总之,厂房基坑的防渗降水的效果达到了设计要求,成功实现了基坑在干地上进行施工的目标,为巴基斯坦真纳水电站的最终建成创造了必要条件,亦为今后的类似工程提供有价值的参考。y=(S1-S2)×{[sinv/(π/c)]-v/(π+1)}设v=0.05,0.1,…到1.0,试算得相应y=11.84,11.68,…,8.85q=(k×H/π)arsh(x/S2)式中q———单