新河口泵站承壓水滲流特點分析及新站地基處理對策

朱麗娜

一、泵站基本情況

安徽省東至縣廣豐圩新河口排澇泵站位于長江南岸干堤上，老站裝機(jī)20臺，總?cè)萘繛?100kW，機(jī)排為主，兼有灌溉和自排功能。由于老站施工期跨2個主汛期，地基受到承壓水頂托，多次出現(xiàn)涌水冒砂現(xiàn)象，運行初的十余年里，前池（底高程7.5m）和進(jìn)水池（底高程6.5m）底部幾乎年年管涌冒砂，有時十分嚴(yán)重，曾先后加固處理過14次，最近一次為1998年汛后。

2010年新河口老站安全鑒定類別為四類，需拆除重建。由于老站和前池基礎(chǔ)遭到大范圍嚴(yán)重破壞，同時為了解決跨汛期施工的度汛問題，設(shè)計考慮新站位于老站左側(cè)老河口處，兩站中心線相距約100m。新站設(shè)計流量33.2m3/s，裝機(jī)6臺，總?cè)萘?780kW，為堤后濕室型泵房。前池和泵房建基面高程4.5m。

二、工程地質(zhì)特性

老站基礎(chǔ)坐落在長江沖積層上，地基為典型的二元結(jié)構(gòu)，地表12.0m高程以下是粘性土覆蓋層，以重粉質(zhì)壤土為主，有輕粉質(zhì)壤土夾層和粉細(xì)砂透晶體。覆蓋層以下為透水砂層，由上而下分別為極細(xì)砂、細(xì)砂、粗砂礫石層，總厚度約30m，與長江河床砂層直接連通。

新站地質(zhì)條件與老站總體相似略有差別。新站址為歷史上的老河口，前池以及泵房基礎(chǔ)以下為淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土，局部夾薄層砂壤土，層厚2～6m；其下為中粉質(zhì)壤土夾砂壤土、極細(xì)砂層，層厚1～7m；再下即為強(qiáng)透水的極細(xì)砂、細(xì)砂以及砂礫石層，層厚約35m。

地下水類型為孔隙型潛水和承壓水。潛水分布于上部的素填土及粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)土層中，總厚度10～22.3m，為弱～微透水性土層，滲透系數(shù)為 i×10-5～i×10-7cm/s，地下水主要以大氣降水與河、溝塘水補(bǔ)給為主。承壓水主要賦存于極細(xì)砂、細(xì)砂、砂卵礫石層中，厚度30～35m，為強(qiáng)～中等透水層，其滲透系數(shù)為i×10-2～i×10-4cm/s，隨長江水位有一定變化，承壓水頭距含水層頂板約7～10m。由于堤后淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土普遍存在且厚度較大，使得承壓水的承壓性較大。

三、站基承壓水滲流特點和影響分析

類似新河口泵站地層結(jié)構(gòu)的站基，出現(xiàn)破壞性的滲流往往是承壓水作用的結(jié)果。1998年新河口站管理單位委托安徽省水利水電勘測設(shè)計院對老站的前池和進(jìn)水池的滲透破壞問題進(jìn)行了研究，由于新老站的地質(zhì)相似性，老站多年的測壓管觀測資料對擬建的站基地下水滲透穩(wěn)定論證有很好的借鑒作用，經(jīng)歸納分析，站基承壓水的滲流有以下的特點：

（1）潛水和承壓水之間存在水力聯(lián)系，堤后有壓水位線高于無壓水位線。泵站地基是典型的雙層地基，表層粘性土覆蓋層的透水性遠(yuǎn)小于下臥砂層，砂層的粒徑及透水性隨著深度的增加而增加，底部接近基巖處有砂礫石強(qiáng)透水層。覆蓋層中的地下水為潛水，砂層中的地下水為承壓水，當(dāng)長江水位高于地面時，江水向堤內(nèi)滲透，大堤和覆蓋層中的滲流是無壓滲流，下臥砂層中的滲流是有壓滲流，雖然互為補(bǔ)給，但各自形成穩(wěn)定的地下水位線，在堤外側(cè)無壓流線高于有壓流線，在堤內(nèi)則相反。各自的地下水位線相交于防洪大堤的堤身下，交會點的位置隨江水位的升高而內(nèi)退，也隨江水位的降低而外移。

（2）前池處承壓水位勢受江水和潛水共同作用，且前池水位越低，潛水影響越大。當(dāng)前池水位低于覆蓋層中的潛水位和江水位時，流向前池的滲流不僅來自江水，也來自兩側(cè)潛水，滲流從三面向前池匯集，前池下覆蓋層底的承壓水頭，不能簡單按平面（二維）滲流場推求位勢，必須考慮潛水的影響。通過對老站測壓管水位以及江水位和潛水位的系列觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸分析，結(jié)果表明，潛水的影響遠(yuǎn)大于江水的影響。因此前池池底覆蓋層下的最大承壓水頭并不出現(xiàn)在當(dāng)年最高江水位的時候，也不出現(xiàn)在內(nèi)外水位差最大的時候，而是出現(xiàn)在前池水位最低的時候，老站前池多次滲水冒砂都出現(xiàn)在這個時候。當(dāng)前池水位接近或與潛水位11.5m持平時，站基滲流場才接近平面滲流場，潛水不再流向前池，滲流來自江水，位勢才比較穩(wěn)定有規(guī)律。

（3）承壓水位勢受垂直滲流影響大，而水平滲徑影響很小。從老站施工期和運行期發(fā)生的滲流破壞形態(tài)來看，滲透變形不是沿著地下輪廓線出口發(fā)生的，即水平滲徑大小不是關(guān)鍵因素。各土層的透水性由上而下由弱透水層過渡到強(qiáng)透水，站基滲流主要來自深層砂礫石層（高程-35m左右），表現(xiàn)為地下水由下而上垂直滲流十分顯著，從而在弱透水覆蓋層下形成較高的滲透壓力。盡管從灘地到泵房水平距離達(dá)600m，但承壓位勢并沒有隨主要補(bǔ)給源距離的增加而明顯減小，遇到覆蓋層薄弱環(huán)節(jié)還是會產(chǎn)生滲透變形問題。歷史上長江干堤（樅陽江堤）堤后1km的溝塘里汛期就曾發(fā)生管涌現(xiàn)象，其地質(zhì)問題均比較類似。

為了論證垂直和水平方向滲流影響的程度，在新站站基滲流溢出側(cè)采用懸掛式垂直防滲墻和全截斷式防滲墻兩個不同的防滲措施，計算出站基承壓水的滲流位勢分布情況見圖1，得出前池滲流位勢最大值分別為51%和16%，而現(xiàn)狀前池位勢為59%。足以證明懸掛式防滲墻對站基滲流穩(wěn)定作用很小，承壓水的滲流是自下而上的，且影響較遠(yuǎn)。

圖1 懸掛式和全截斷式防滲墻滲流位勢分布對比圖

四、新站基滲透穩(wěn)定處理方案和措施

1.站基滲透穩(wěn)定處理方案

一般防止水工建筑物下游出口處滲透變形的途徑是前堵后排，延長滲徑即地下輪廓線長度，或者改變出口處的滲流方向，由水平向為主變?yōu)榇怪毕驗橹鳎热缭诔隹谔幗ㄉ铨X墻或板樁以降低滲流的出逸坡降。根據(jù)上節(jié)的分析，采用懸掛式垂直防滲體延長滲徑是無效的，必須采用垂直防滲體徹底截斷滲流通道，才能確保前池的滲透穩(wěn)定性。

關(guān)于前池滲透穩(wěn)定處理，下面就防滲墻全斷面圍封方案和前池排水降壓井導(dǎo)滲方案分別進(jìn)行比選分析。

垂直防滲墻全斷面圍封截滲方案。該方案結(jié)合工程施工，將泵房、前池和進(jìn)水閘采用垂直防滲墻圍封，考慮成墻深度和施工質(zhì)量，防滲墻采用液壓抓斗法或沖擊鉆法成槽的塑性混凝土防滲墻，墻體厚度取0.6m，底部深入砂巖風(fēng)化層內(nèi)2m，頂部為建筑物基礎(chǔ)底面或淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土中上部約9m高程。前池內(nèi)均勻布置30口淺層砂井，井距均為5m，井底高程-6m，口徑0.8m，井內(nèi)回填砂卵石以增加透水率，便于導(dǎo)出圍封墻內(nèi)的滲水，消減承壓水頭。

前池排水降壓砂井導(dǎo)滲方案。該方案在池內(nèi)均勻布置6口深井，3排，排距8m，井距16m，井底高程-18m，口徑0.8m；圍繞深井再布置39口淺井，7排7列，井距均為4m，井底高程-6m，口徑0.8m。深淺井內(nèi)均回填砂卵石以增加透水率，井口與池底反濾層連接，三級反濾總厚度0.8m，其上布置混凝土結(jié)構(gòu)護(hù)底和導(dǎo)水孔。

防滲墻圍封方案的投資較降壓井方案成倍增加，并不經(jīng)濟(jì)。但防滲墻方案對圍封范圍內(nèi)的前池部位滲透穩(wěn)定明顯有利，無論外河水位如何變化，前池均不受影響。但由于成墻深度過大（約46m），防滲墻墻體施工質(zhì)量尤其在關(guān)鍵部位的砂礫石層很難保證。采用防滲墻圍封前池后，并不降低堤后的滲流承壓水頭，未圍封的區(qū)域如進(jìn)水渠道等部位仍然存在滲透穩(wěn)定安全隱患。

深層和淺層砂井相結(jié)合的前池導(dǎo)滲降壓方案，可將透水砂層承壓水充分導(dǎo)出。經(jīng)計算前池內(nèi)最大位勢為20%，也能很好地降低周邊的承壓水頭，且施工便捷，工程投資省。

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較來看，新站采用排水降壓的辦法解決基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定問題是合適的。

2.滲透穩(wěn)定處理其他輔助措施

由于站基滲流需要同時考慮地下潛水和地下承壓水的雙重影響，計算復(fù)雜，影響因素多，除新站前池內(nèi)布置排滲降壓井外，還需結(jié)合工程和管理上措施，確保泵站運行期安全。

（1）在外河出現(xiàn)高于最高運行水位的洪水位時，避免前池水位過低，可以通過前池進(jìn)水閘反向蓄水，盡量提高池內(nèi)水位至地下潛水位附近，一方面降低內(nèi)外水頭差，另一方面削弱潛水的滲流影響。

（2）老站前池在1998年加固后，起到了良好的防滲減壓效果。老站拆除后，前池和進(jìn)水閘應(yīng)予保留，同時在進(jìn)水池部位布置反濾排水棱體，以確保前池的排滲減壓效果維持現(xiàn)狀，不因老站拆除回填造成新的安全隱患，同時對新站的站基滲透穩(wěn)定也是有利的。

（3）新站施工期間在四周布置的臨時降水井應(yīng)按照永久井要求設(shè)計和施工，工程完工后前池周邊的應(yīng)保留利用。老站現(xiàn)有降水井可加以利用，并加強(qiáng)觀測。

五、總結(jié)和體會

（1）新河口站地基深厚的強(qiáng)透水層及其垂直滲流特點，決定了減壓井方案優(yōu)于截滲墻方案。但用于施工降水的臨時井改永久減壓井后，會存在物理和化學(xué)淤堵可能，設(shè)計時應(yīng)作為安全儲備。

（2）在地質(zhì)條件允許、施工質(zhì)量可靠的前提下，能夠做到既堵又排則最為安全合理。但選擇截滲墻方案作為站基滲流控制的主方案時，減壓井必須作為重要的工程措施布置，不能缺省。

（3）無論采取了哪一種滲流控制工程措施，施工期地基都不允許發(fā)生滲透穩(wěn)定破壞現(xiàn)象，否則會形成不可逆的滲流通道從而成為永久隱患，因此施工期的降排水措施以及度汛方案至關(guān)重要。

目前新河口新站工程施工已經(jīng)完工，水下工程也經(jīng)歷了一個洪水期考驗，施工期未發(fā)生任何滲流失穩(wěn)現(xiàn)象，工程運行正常■