新河口泵站地基抗?jié)B加固中土工合成材料的設(shè)計(jì)

汪貴紅

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院安徽分院，安徽合肥230001)

1 工程概況

新河口泵站位于安徽省東至縣長(zhǎng)江南岸大堤上，距離外江岸灘邊緣約650 m，裝20臺(tái)28ZLB－70軸流泵，總裝機(jī)為3 100 kW，以排澇為主，兼有灌溉功能。該站基礎(chǔ)座落在長(zhǎng)江沖積層上，站址、前池附近地表高程12.0 m，地表下是粘性土覆蓋層，覆蓋層下為約30 m深的透水砂層，與長(zhǎng)江主泓出露的砂層直接相聯(lián)。該站于1972年冬開工，建成于1975年。施工期基坑開挖采用明溝排水，地基受到砂層承壓水的滲流破壞，多次出現(xiàn)涌水冒砂現(xiàn)象。建成后，泵站站基及前池底部幾乎年年管涌冒砂，有幾次十分嚴(yán)重。如1983年汛期，前池干砌石護(hù)底部位出現(xiàn)大面積坍坑，坍陷體積達(dá)130 m3，深達(dá)1.6 m。1986年汛期在1983年坍陷加固部位的漿砌石護(hù)底處大面積隆起，約有48 m2，最大隆起高度為0.5 m。1998年4月泵站檢修前，前池出現(xiàn)3處管涌冒砂，最大一處冒砂量約6 m3，沉陷范圍約16 m2，深約0.3 m。該站是安徽省長(zhǎng)江大堤上的重大險(xiǎn)工之一。

2 前池滲流破壞的原因分析及加固方案的選定

站址位于長(zhǎng)江沖積層上，地基是典型的二元結(jié)構(gòu)。地表高程12.0 m至2.0 m左右為粘性土覆蓋層，滲透系數(shù)約為1×10-6cm/s，以淤質(zhì)中、重粉質(zhì)壤土為主，含有輕粉質(zhì)壤土夾層和粉細(xì)砂透鏡體；覆蓋層以下分別為極細(xì)砂、細(xì)砂、粗砂礫石，深度約為35 m，滲透系數(shù)為10-4～10-2cm/s。由測(cè)壓管資料分析，前池西側(cè)覆蓋層內(nèi)的粉細(xì)砂透鏡體和深砂層相通。覆蓋層內(nèi)地下水為孔隙滯水，砂層的承壓水主要受江水補(bǔ)給。汛期江水位高于堤內(nèi)地面，深砂層在長(zhǎng)江主泓已出露，江水直接通過深砂層向前池內(nèi)滲流。非汛期，江水位低，覆蓋層內(nèi)潛水向砂層補(bǔ)給滲流。

該站施工時(shí)，采用明溝排水，基坑覆蓋層受砂層承壓水頂托，涌水冒砂，受到較嚴(yán)重的擾動(dòng)破壞。覆蓋層雖為粘性土，但含有粉細(xì)砂透鏡體，以及極薄砂土互層，根據(jù)測(cè)壓管資料分析，前池的滲透出逸坡降已超過覆蓋層的允許出逸坡降，經(jīng)多次滲流破壞，已和深砂層相通。深砂層承壓水是滲流破壞的主要原因。

該工程曾多次加固，其中主要加固有4次，前池原有干砌石護(hù)底，經(jīng)數(shù)次加固后，分段改為鋼筋混凝土、混凝土和漿砌塊石，剩余透水的干砌塊石護(hù)底面積僅為前池的1/5左右。

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院安徽分院于1998年承擔(dān)了該站的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)任務(wù)。在綜合分析測(cè)壓管水位資料，以及歷次除險(xiǎn)加固的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，擬定以排滲減壓為主的原則，將前池砂層以上約4 m厚已破壞的覆蓋層挖除直至砂層，鋪設(shè)土工布，保護(hù)砂層以免細(xì)顆粒流失，土工布上回填強(qiáng)透水砂卵石，前池內(nèi)及四周設(shè)若干砂井，砂井填以復(fù)合土工布袋裝砂礫石，使深層承壓水順暢導(dǎo)出。以下主要介紹該工程中土工布、復(fù)合土工布的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

3 土工布、復(fù)合土工布的設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，地基下砂層上部為極細(xì)砂，按其顆分曲線，各種特征粒徑均值為。極細(xì)砂的顆粒較均勻，不均勻系數(shù)

3.1 無紡?fù)凉げ荚O(shè)計(jì)

該站地基多次滲透破壞，砂層上部極細(xì)砂貫入擊數(shù)低，相對(duì)緊密度松，覆蓋層內(nèi)已形成滲漏通道，減壓溝基坑開挖中也證實(shí)了這一推斷符合實(shí)際。為防止極細(xì)砂滲透破壞，減壓溝內(nèi)鋪設(shè)土工布，既保護(hù)極細(xì)砂顆粒不流失，又具有透水性。

按照《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T225－98)(以下簡(jiǎn)稱《土工合成材料規(guī)范》)，反濾材料應(yīng)滿足保土性、透水性及防淤堵性。下面根據(jù)極細(xì)砂各特性粒徑分別對(duì)其進(jìn)行保土、透水，以及防淤堵設(shè)計(jì)，選擇合適的無紡?fù)凉げ肌?/p>

3.1.1 保土性

無紡?fù)凉げ嫉谋Ｍ列詰?yīng)滿足《土工合成材料規(guī)范》式(4.2.2-1)

式中：O95——土工織物的等效孔徑，mm;

d85——被保護(hù)土的特征粒徑，即土中小于該粒徑的土質(zhì)量占總質(zhì)量的85%，采用試樣中最小的d85，該工程d85min=0.19 mm;

n——與被保護(hù)土的類型、級(jí)配、織物品種和狀態(tài)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

n按規(guī)范中表4.2.2規(guī)定取值,因d50均大于0.13 mm,即d≤0.075 mm對(duì)應(yīng)的含量百分比＜50%,Cu=3.48,n=0.5×Cu=1.74。

3.1.2 透水性

無紡?fù)凉げ嫉耐杆孕铦M足規(guī)范中的要求，即土工布的滲透系數(shù)必須大于被保護(hù)土料的滲透系數(shù)或10倍于被保護(hù)土料的滲透系數(shù)，極細(xì)砂的滲透系數(shù)8×10-4cm/s,即使取10倍，也僅為8×10-3cm/s。根據(jù)國(guó)內(nèi)大部分廠家的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，滲透系數(shù)均超過8×10-3cm/s,所以該工程要求滲透系數(shù)大于1×10-2cm/s。

3.1.3 防淤堵性

被保護(hù)的極細(xì)砂不均勻系數(shù)小，亦即級(jí)配較好，前池設(shè)置定長(zhǎng)減壓溝及排滲減壓砂井后，根據(jù)滲流分析計(jì)算，位勢(shì)及水力梯度大為降低。按規(guī)范中式(4.2.4-1)計(jì)算 O95。

式中：d15——被保護(hù)土的特征粒徑，即土中小于該粒徑的土的質(zhì)量占總土質(zhì)量的15%，d15=0.066 mm。

綜合以上結(jié)果，無紡?fù)凉げ夹铦M足0.198 mm≤O95≤0.33 mm;且滲透系數(shù) ＞10-2cm/s，厚度根據(jù)已有的土工布應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)取4 mm,每平米重400 g。

3.2 復(fù)合土工布設(shè)計(jì)

前池和站基周圍設(shè)置深砂井及淺砂井。為保證站基附近深砂井有效發(fā)揮排滲減壓作用，防止淤堵，Ф0.8 m的砂井內(nèi)先置入Ф0.6 m的復(fù)合土工布袋，內(nèi)裝強(qiáng)透水砂卵石。復(fù)合土工布為1 mm厚機(jī)織布與1.5 mm厚無紡?fù)凉げ紡?fù)合而成。按反濾準(zhǔn)則，復(fù)合土工布袋周圍回填勻粒中砂，要求不均勻系數(shù)Cu≤3,復(fù)合土工布的被保護(hù)土料即勻粒中砂，復(fù)合土工布易于滿足保土性、防淤堵性要求。袋裝砂卵石對(duì)布袋的抗拉強(qiáng)度有一定的要求,機(jī)織布具有較高的抗拉強(qiáng)度，但保土性較差，無紡?fù)凉げ伎估瓘?qiáng)度低，但保土性可達(dá)設(shè)計(jì)要求，所以采用復(fù)合土工布。

經(jīng)計(jì)算,在施工過程中土工布袋承受的最大拉力達(dá)56 kN，相當(dāng)于1 485N/5 cm。一般無紡?fù)凉げ嫉目估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)低于1 485N/5 cm,另外,尚需考慮1.5以上的安全系數(shù)，以免土工織物拉伸變形過大，既降低了滲透性又減低了強(qiáng)度，最終設(shè)計(jì)要求復(fù)合土工布的抗拉強(qiáng)度不低于2200N/5 cm,滲透系數(shù)不小于10-2cm/s。因復(fù)合土工布袋內(nèi)裝砂卵石，外填勻粒中砂，而復(fù)合土工布的等效孔徑一般小于無紡?fù)凉げ迹詫?duì)等效孔徑要求不小于0.08 mm。

該加固工程于1998年11月動(dòng)工，現(xiàn)已完工。在實(shí)施加固中，建設(shè)單位及施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)要求，征詢了5～6個(gè)生產(chǎn)廠家，最終選定安徽省安慶市土工織物廠的產(chǎn)品。經(jīng)隨機(jī)取樣，送長(zhǎng)委長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江地基公司檢測(cè)，無紡針刺土工布的的等效孔徑為0.2 mm，滲透系數(shù)達(dá)3.07×10-1cm/s;復(fù)合土工布的等效孔徑為0.09 mm，滲透系數(shù)5.73×10-2cm/s抗拉強(qiáng)度達(dá)2 470N/5 cm,滿足設(shè)計(jì)要求。在施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)在對(duì)設(shè)置復(fù)合土工布袋的深砂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)，深砂井的滲流量明顯大于無土工布袋的淺砂井，主要原因之一是復(fù)合土工布袋內(nèi)裝強(qiáng)透水砂卵石。新河口泵站及前池的地基經(jīng)加固后，泵站及前池四周測(cè)壓管位勢(shì)普遍降低，與去年同期同水位相比較，位勢(shì)值平均降低約30%，且前池四周測(cè)壓管水位趨于接近。按1999年6月2日實(shí)測(cè)值推算，前池部位砂層內(nèi)的位勢(shì)值平均為21.8%，若遇50 a洪水，水頭差最大時(shí)，承壓水頭為1.53 m，最大垂直出逸坡降為0.36。滿足抗?jié)B安全要求。

4 結(jié)語

新河口泵站地基抗?jié)B加固處理中，合理地采用了無紡針刺土工布，復(fù)合土工布，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理,達(dá)到排滲降壓、工程抗?jié)B安全的預(yù)期目的，為安徽省長(zhǎng)江南堤除去了一大工程隱患。