西霞院水庫(kù)消力池暗排水系統(tǒng)研究

連惠萍，連惠瑤，劉少麗

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.黃河水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450011）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)修建了許多高壩大庫(kù)，大多水頭高、泄量大，消能要求高。受地形、地質(zhì)條件限制及運(yùn)行條件制約，高壩的泄水建筑物常采用底流或挑流消能。 因此，消力池或水墊塘的抗浮穩(wěn)定性便成了其工程安全運(yùn)行急需解決的問(wèn)題。 為降低消力池或水墊塘底部揚(yáng)壓力和減少滲漏，通常在消力池或水墊塘基礎(chǔ)布置抽排系統(tǒng)，在板縫間設(shè)置止水，在基礎(chǔ)設(shè)置縱橫向排水廊道和排水孔幕，并在其周圍設(shè)置防滲帷幕，形成封閉的排水網(wǎng)格系統(tǒng)，從而保障工程安全運(yùn)行，節(jié)省底板混凝土和錨固工程量。 但由于高壩泄洪強(qiáng)度高、動(dòng)水壓力大，一些布置了抽排系統(tǒng)的消力池或水墊塘底板還是會(huì)出現(xiàn)破壞事故[1]。

黃河小浪底水利樞紐的配套工程——西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱西霞院工程）位于黃河干流小浪底水利樞紐壩下游16 km 處， 壩址左岸為河南省洛陽(yáng)市吉利區(qū)，右岸為洛陽(yáng)市孟津縣。 西霞院泄洪閘地基為沉積沙卵石層，厚度10～15 m，具有中-強(qiáng)透水性，滲透系數(shù)為30m/d，且閘基下游水位相對(duì)較高。為了保證消力池具備檢修條件及泄洪時(shí)底板抗浮穩(wěn)定，必須排水，以降低底板揚(yáng)壓力。由此可見(jiàn)，必須對(duì)泄洪閘下游消力池防滲排水系統(tǒng)進(jìn)行研究[2]。

1 西霞院工程概況

西霞院水庫(kù)是一座具有日調(diào)節(jié)性能的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，其開(kāi)發(fā)任務(wù)為以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉等綜合利用。水庫(kù)總庫(kù)容1.62 億m3，土壩部分最大壩高20.2 m，混凝土壩部分最大壩高51.0 m，134 m 以下的有效庫(kù)容為0.452 億m3，131～134 m 的反調(diào)節(jié)庫(kù)容為0.332 億m3，

按工程規(guī)模定為大（2）型Ⅱ等樞紐。 其主要建筑物有擋水大壩、泄洪閘、排沙洞、河床式電站以及王莊引水閘、灌溉引水閘等，均為2 級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100 年一遇， 校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇。 根據(jù)黃河多泥沙的特點(diǎn)和樞紐運(yùn)行要求，采取泄洪、排沙和發(fā)電建筑物集中布置在中部、大壩布置在左右兩側(cè)的總體布置方案。

2 采用的技術(shù)線路和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 采用的技術(shù)線路

為了提出一套完整、安全、易行的防滲排水措施，以及為泄洪閘消力池防滲排水系統(tǒng)今后的發(fā)展、推廣提供依據(jù)和利用模式，在對(duì)泄洪閘進(jìn)行防滲穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，確定水平垂直防滲及止水布置形式。 在排水分析方面，主要利用防滲穩(wěn)定計(jì)算成果，進(jìn)行不同工況下抽排水位和抽排水量計(jì)算，對(duì)比不同的排水管形式，選用易于施工、安全可靠的排水管，并結(jié)合工程地質(zhì)條件，合理布置排水管及集水井。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

2.2.1 三維滲流穩(wěn)定分析

對(duì)泄水建筑物壩段進(jìn)行了三維滲流計(jì)算，從而得到了整個(gè)泄水建筑物閘室段、消力池段及海漫段的滲流場(chǎng)。

西霞院混凝土建筑物由泄洪閘、排沙洞、河床式電站等壩段組成。 泄水建筑物壩基的防滲主要由混凝土防滲墻承擔(dān)，其防滲效果如何，直接影響到混凝土建筑物底板的滲透壓力和接觸滲透坡降[3]。

對(duì)泄水建筑物在抽排時(shí)是否會(huì)發(fā)生滲透破壞進(jìn)行了分析研究。首先，整個(gè)混凝土壩段由于伸縮縫內(nèi)布置有止水，形成了一個(gè)不透水的整體，大于0.3 的滲透坡降主要發(fā)生在漏斗邊沿，即消力池4 個(gè)周邊附近。 而消力池四周又受到了其他混凝土建筑物的約束， 因此， 消力池基礎(chǔ)不存在發(fā)生滲透破壞的通道。 其次，軟式排水管的反濾作用效果非常好，地基內(nèi)的細(xì)顆粒體也不會(huì)被帶走, 同樣無(wú)滲漏通道。 再者，大于0.3 的滲透坡降是局部現(xiàn)象，平均滲透坡降則小于0.2。 總之，在泄洪和檢修工況下抽排時(shí)，混凝土建筑物基礎(chǔ)不會(huì)發(fā)生滲透破壞[4]。

2.2.2 抽排水量研究

采用三維滲流分析和達(dá)西定律進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算出了不同工況的抽排水位和抽排量。 針對(duì)泄洪時(shí)消力池首端收縮水深較小的問(wèn)題，雖然排水設(shè)計(jì)時(shí)考慮了泄洪工況進(jìn)行抽排，但那是局部現(xiàn)象，對(duì)消力池的整體抗浮穩(wěn)定性的影響程度還無(wú)法評(píng)估。 因此，在此部位布置了測(cè)壓計(jì)和其他觀測(cè)設(shè)備，最終由觀測(cè)結(jié)果來(lái)判定泄洪時(shí)抽排與否。

2.2.3 排水設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)無(wú)沙混凝土管結(jié)構(gòu)、無(wú)沙混凝土溝槽結(jié)構(gòu)及軟式透水管結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，決定用軟式排水管結(jié)構(gòu)。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，提出無(wú)沙混凝土的最佳配合比。

泄水建筑物消力池的排水系統(tǒng)還包括排水廊道和集水井等建筑物。 地下水通過(guò)軟式排水管匯入排水廊道，再進(jìn)入2#、3#集水井，由排水泵抽排到下游。其中，2#、3#集水井由消力池上下游排水廊道相連通，整個(gè)排水系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)整體。 這種縱向排水管布置保證了基礎(chǔ)的整體性。

排水管具體鋪設(shè)為：內(nèi)側(cè)用軟式排水管，軟式排水管的外側(cè)為無(wú)沙混凝土， 無(wú)沙混凝土的外側(cè)包土工布[5]。 軟式排水管形成排水主管，且起到無(wú)沙混凝土的模板作用，而無(wú)沙混凝土可以起到排水的骨架作用。 外側(cè)包土工布起反濾作用。 這樣，即使軟式排水管局部出現(xiàn)破壞， 無(wú)沙混凝土管仍能形成排水通道。 此排水方式保證了排水性、保土性、防堵性的要求，確保了消力池底板暗排水系統(tǒng)的可靠性[6]。

3 運(yùn)行功能分析

2005 年以來(lái)，防滲排水系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，確保了建筑物的安全，保證了西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)工程建設(shè)的順利進(jìn)行。

3.1 運(yùn)行效果

西霞院2007 年5 月大壩蓄水后，共經(jīng)歷了兩次黃河汛前調(diào)水調(diào)沙運(yùn)行，即第七次19d（2007.6.19～2007.7.7）和第八次12d（2008.6.19～2008.7.1）的消力池抽排運(yùn)行。 西霞院消力池底板滲壓計(jì)測(cè)值過(guò)程線如圖1 所示。 從測(cè)值過(guò)程線可以看出，最大抽排水頭達(dá)到14 m。 這說(shuō)明排水暢通，并且未發(fā)生滲透破壞。

圖1 泄洪閘基礎(chǔ)縱斷面滲壓計(jì)測(cè)值過(guò)程線圖Fig.1 Release sluice basic profile osmometer measuring process lines

泄洪閘基礎(chǔ)縱斷面滲壓計(jì)測(cè)值過(guò)程線圖顯示，西霞院工程消力池在兩次調(diào)水調(diào)沙泄洪閘放水期間， 成功地將底板揚(yáng)壓力水頭抽降到112 m 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)期間，2#集水井水泵抽排總量是1 500 m3，3#集水井水泵抽排總量是2 500 m3， 在設(shè)計(jì)控制范圍之內(nèi)。

3.2 功能分析

采用外包無(wú)沙混凝土和土工布軟式透水管的新結(jié)構(gòu)形式暗排水系統(tǒng)方案，成功地降低了消力池底板的揚(yáng)壓力，保證了消力池等泄水建筑物的穩(wěn)定安全[7]。 這說(shuō)明，該方案對(duì)泄水建筑物的防滲排水運(yùn)用是成功的，布置是合理的，對(duì)建筑物運(yùn)行的穩(wěn)定安全發(fā)揮了應(yīng)有的作用。

目前就查閱文獻(xiàn)情況來(lái)看， 軟式排水管在沙卵石地基中應(yīng)用，尚不多見(jiàn)。 西霞院工程將軟式排水管、無(wú)沙混凝土和土工布結(jié)合使用，充分利用軟式透水管的強(qiáng)過(guò)濾性和管材的導(dǎo)排水功能， 鋪設(shè)于建筑物底板以下的暗排水系統(tǒng)， 不僅排水效果良好，而且節(jié)省空間、美觀，施工工藝方便，值得推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)消力池排水系統(tǒng)的研究，得出如下結(jié)論：

（1）水平防滲、垂直防滲及止水的布置是可行的，安全是可以得到保障的。

（2）不同工況的抽排水位及抽排水量，保證了工程運(yùn)行的安全。

（3）排水管縱向鋪設(shè)方式保證了基礎(chǔ)的整體性。

（4）首次提出了內(nèi)側(cè)用軟式排水管、軟式排水管的外側(cè)為無(wú)砂混凝土、無(wú)砂混凝土的外側(cè)包土工布的新排水方式，保證了透水性、防堵性和保土性。

[1] 吳建疆. 消力池基礎(chǔ)抽排系統(tǒng)布置探討[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2004（2）：38-40.

[2] 張劍鋒，刁永華. 大位子水庫(kù)溢洪道消力池基坑排水措施的分析對(duì)比[J]. 黑龍江水利科技，1997（2）：118-120.

[3] 成銀. 石梁河水庫(kù)擴(kuò)大泄量工程溢洪道地基防滲與排水設(shè)計(jì)[J]. 治淮，2002（03）：12-13.

[4] 徐永芝.黃河沖（淤）積地區(qū)下穿道路結(jié)構(gòu)與排水系統(tǒng)綜合研究[D]. 山東大學(xué)，2006.

[5] 李延. 土工織物的功能分析及其在永定河防洪工程中的應(yīng)用技術(shù)研究[D]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002.

[6] 易華強(qiáng). 土工織物反濾系統(tǒng)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[D].清華大學(xué)，2005.

[7] 吳祖根. 軟式透水管在下穿道路段路基排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)市政工程，2004(03)：59-61.