深厚透水砂基中泵站工程的滲透穩(wěn)定分析及處理措施

李聰磊

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230088）

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

原沙池一站位于安徽省銅陵市郊區(qū)老洲鎮(zhèn)境內(nèi)，隸屬陳瑤湖流域，地處長江下游北岸。該站建于1987 年，經(jīng)過30 多年的運(yùn)行，水工建筑物、機(jī)電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)等損傷嚴(yán)重，經(jīng)鑒定，為四類站，需要拆除重建。

由于受到外江水位的頂托，在汛期時(shí)圩區(qū)內(nèi)澇水、陳瑤湖內(nèi)的洪水均無法及時(shí)排出，歷史上“關(guān)門淹”的情況時(shí)有發(fā)生，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全都造成了不同程度的損害和威脅。沙池一站為原址重建工程，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，該泵站具有圩區(qū)內(nèi)澇水的抽排和自排功能，流量分別為38.0、24.4 m3/s；同時(shí)兼顧陳瑤湖湖區(qū)內(nèi)洪水的抽排，排洪流量42.0 m3/s，選定6 臺1400HLB6.55-7.91 混流泵，總裝機(jī)4500 kW。泵站總體布置采用堤后式，順?biāo)飨蜃陨隙乱来卧O(shè)有攔污檢修閘、進(jìn)水前池、站身、匯水箱以及穿堤涵洞、防洪閘等。工程等別為Ⅲ等，屬中型泵站。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)鉆孔勘探及試驗(yàn)成果，站址處自建基面起，自上而下地層分布及其滲透性見表1。

表1 站址處建基面以下地層分布及主要參數(shù)

站址區(qū)域內(nèi)地下水以孔隙潛水與承壓水為主，其中潛水廣泛分布于②層及②1層等微～弱透水層中，受地表水及大氣降水補(bǔ)給。承壓水主要賦存于③層、④層及⑥層等中～強(qiáng)透水砂礫石層中，且在長江外灘上出露，與長江水位有著緊密的水力聯(lián)系。

2 模型的建立及參數(shù)選取

2.1 模型建立

根據(jù)二維穩(wěn)定滲流場有限單元法基本理論[1]，本文分別對天然地基、懸掛式防滲墻（墻深25.0 m，墻底未進(jìn)入微透水層）和落底式防滲墻（墻深32.0 m，墻底進(jìn)入微透水層）等3 種模型進(jìn)行模擬分析?？紤]到在泵站檢修期長江外水位為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位14.30 m（吳淞高程，余同），而內(nèi)側(cè)站身前池?zé)o水（即2.30 m），此時(shí)水頭差最大為12.0 m，以此為最不利工況進(jìn)行模擬分析計(jì)算。模型范圍見圖1～圖3。

圖1 天然地基模型范圍示意圖

圖2 懸掛式防滲墻模型范圍示意圖

圖3 落底式防滲墻模型范圍示意圖

2.2 參數(shù)的選取

本文防滲墻采用高壓擺噴墻，根據(jù)文獻(xiàn)[2,3]的試驗(yàn)結(jié)果，在相近的壓力參數(shù)、漿液配比等條件下，墻體滲透系數(shù)基本為1.0～6.0×10-9m/s，結(jié)合本地區(qū)類似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程設(shè)計(jì)時(shí)高壓擺噴墻滲透系數(shù)取為2.0×10-9m/s，其余土層的滲透系數(shù)見表1。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用有限元軟件Autobank對上述3種模型進(jìn)行模擬計(jì)算，探究深厚透水砂基上泵站基礎(chǔ)的滲透特點(diǎn)，并對比分析天然地基、懸掛式防滲墻和落底式防滲墻的防滲效果和影響規(guī)律。

3.1 天然地基滲流模擬分析

當(dāng)站基未設(shè)防滲墻時(shí)，根據(jù)天然地基模型進(jìn)行有限元計(jì)算，得到水頭分布等值線（見圖4），滲流量（取單位寬度，下同）及出逸滲透坡降結(jié)果見表2。

圖4 天然地基滲流等值線圖

表2 出逸滲透坡降、滲流量計(jì)算結(jié)果

由圖4及表2可知，在未設(shè)防滲墻的條件下，深厚透水砂基中站身前池與外江側(cè)水力聯(lián)系強(qiáng)烈，水頭等值線變化較快，導(dǎo)致出逸滲透坡降較大，最大值為0.774，超過土層允許值，易發(fā)生滲透破壞。此外，單寬滲流量也較大，其對泵站工程效益的發(fā)揮、運(yùn)行安全等方面都有不利影響。

3.2 懸掛式防滲墻滲流模擬分析

在深厚透水砂基中，防滲墻墻底未深入到微透水層內(nèi)，此時(shí)為懸掛式防滲墻。根據(jù)懸掛式防滲墻模型進(jìn)行有限元計(jì)算，得到其水頭分布等值線（見圖5），滲流量及出逸滲透坡降結(jié)果見表2。

圖5 懸掛式防滲墻滲流等值線圖

由圖5及表2可以看出，采用懸掛式防滲墻后，相比于天然地基，其滲流水頭等值線變化在一定程度上有所減緩。出逸滲透坡降最大值由0.774降低為0.504，降低約34.9%，單寬滲流量則降低15.4%左右，說明懸掛式防滲墻對深厚透水砂基的泵站基礎(chǔ)防滲有一定的效果，能夠有效延長滲透路徑，但出逸滲透坡降仍超過允許值，尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.3 落底式防滲墻滲流模擬分析

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，沙池一站深厚透水砂基下伏微透水性的⑦層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，防滲墻墻底進(jìn)入該層時(shí)即為落底式防滲墻。根據(jù)落底式防滲墻模型進(jìn)行有限元計(jì)算，得到其水頭分布等值線（見圖6），滲流量及出逸滲透坡降結(jié)果見表2。

圖6 落底式防滲墻滲流等值線圖

由圖6 及表2 可知，落底式防滲墻基本能夠阻斷站身前池與外江側(cè)的水力聯(lián)系，使得前池側(cè)出逸滲透坡降大幅度降低，滿足設(shè)計(jì)要求，確保在深厚透水砂基中站身基礎(chǔ)的滲透穩(wěn)定。此外，相比于懸掛式防滲墻，落底式防滲墻的滲流量亦顯著降低，約為懸掛式防墻滲漏流量的3.4%。由此可見，落底式防滲墻效果良好，能夠有效控制在深厚透水砂基中泵站基礎(chǔ)的滲流。

4 防滲處理措施

根據(jù)上述有限元模擬計(jì)算結(jié)果，在深厚透水砂基中泵站基礎(chǔ)的防滲應(yīng)采用落底式防滲墻，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，高壓擺噴技術(shù)已十分成熟，其在深厚透水砂基中具有較強(qiáng)的適用性，操作性強(qiáng)，能夠有效解決透水砂礫石地基的滲透問題[4]。此外，與其他類型防滲墻對比，高壓擺噴防滲墻具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢，能夠降低工程總投資[5]。因此，建議采用高壓擺噴墻對深厚透水砂基中的泵站基礎(chǔ)進(jìn)行防滲處理。為有效降低前池底板剩余水頭位勢，在前池底板設(shè)排水孔，孔徑為0.1 m，間距2.0 m，梅花形布置，下設(shè)砂石反濾料及反濾土工布。同時(shí)，為兼顧施工期基坑降水，在前池底板設(shè)4口排水深井，井徑為0.5 m，井深18.0 m?？紤]到泵站長期運(yùn)行可能會導(dǎo)致排水孔堵塞，影響站基滲透安全，另設(shè)20口排水淺砂井，井徑為0.4 m，為站基滲透安全再增加一道安全保障。

5 結(jié)語

在深厚透水砂基中，泵站基礎(chǔ)的滲透穩(wěn)定是決定泵站工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元軟件Autobank 對站身基礎(chǔ)滲流進(jìn)行二維模擬計(jì)算及對比分析，提出站基防滲處理措施。

（1）在深厚透水砂基中，落底式防滲墻防滲效果顯著，能大幅度降低出逸滲透坡降及滲流量，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）懸掛式防滲墻可有效延長滲透路徑，在一定程度上能夠降低出逸滲透坡降，但在深厚透水砂基中站基防滲效果不良，較難到達(dá)設(shè)計(jì)要求。

（3）高壓擺噴墻在深厚透水砂基的泵站基礎(chǔ)防滲中具有較強(qiáng)的適用性和可操作性，作為站基滲流控制措施，是安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的。

（4）為滿足泵站基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定要求，確保建筑物安全運(yùn)行，延長使用壽命，在前池底板增設(shè)排水孔及反濾料。結(jié)合施工期基坑降水，另設(shè)排水深井，減少其在泵站運(yùn)行期對底板的頂托作用。此外，為提高泵站運(yùn)行安全可靠性，降低因排水孔堵塞引起的滲透穩(wěn)定問題，加設(shè)排水淺砂井也實(shí)屬必要。