廣東省佛山市順德區菊花灣電排站工程三維有限元滲流計算分析

石 然

(佛山市順德區水利投資建設有限公司,廣東 佛山 528300)

1 工程概況

菊花灣電排站位于廣東省佛山市南順第二聯圍南線樂從堤段、菊花灣水閘下游、樁號為13+017 m，瀕臨順德水道，內通九沙涌，工程等別為Ⅳ等小(Ⅰ)型，共安裝3臺180 kW泵站，總裝機容量540 kW，泵站主要負責圍內鎮內澇外排任務，直接受益人口19萬人，受益農田930.907 hm2，發揮了一定的工程效益和社會效益。工程于1983年11月動工，1985年3月建成投產。由于菊花灣電排站建設年代早，已運行28年，水工建筑物破損，部分機電設備嚴重老化，效益衰減。由于始建時的條件限制，設計標準偏低，在2005年6月特大洪水期間，菊花灣水閘曾經出現管涌險情。雖然汛后進行了截滲加固處理，但是根據堤圍下沉情況判斷，閘室底板可能脫空，存在一定滲透安全隱患。為分析該電排站滲透安全狀況，本文基于有限元法建立菊花灣電排站三維模型，賦予不同巖土層合適的參數，對滲流破壞過程進行模擬重現，以期為電排站滲透安全鑒定評價提供依據[1-3]。

2 三維有限元滲流計算

2.1 模型建立

為了準確模擬菊花灣電排站堤段的滲流場，本次研究中建立了三維有限元模型。三維有限元模型的建立充分利用了工程地質勘察所得的相應斷面成果，用于菊花灣電排站附近區域的滲流場分析。建立的三維有限元模型見圖1。

圖1 菊花灣電排站滲流計算模型

2.2 計算參數

根據室內外試驗結果及相似工程經驗，電排站滲透系數取值見表1，菊花灣電排站粉細砂的水平段臨界水力比降、允許水力比降見表2。考慮到樣品ZK2-3取自地表以下10.1～10.3 m深處，該處位于淤泥層與粉砂層交界處附近，故臨界水力坡降受到到淤泥層的影響。因此，本報告取該模型粉細砂的水平段臨界水力坡降、允許水力比降為ZK1-3、ZK1-4、ZK2-4共3個樣品的臨界水力坡降、允許水力比降的平均值0.099、0.066，取粉細砂的出口處允許水力坡降取0.300。

表1 菊花灣電排站巖土滲透系數

表2 電排站取樣部位臨界水力比降、允許水力比降

2.3 防滲體系狀況

經過現場勘測及對現有資料的分析，菊花灣電排站堤段防滲體系薄弱環節可能出現在以下幾處(圖2)：①在新老河道分岔處(薄弱處1)，因為老河道底部高程為-2 m，基本上已經到了粉砂層，粉細砂的滲透系數較大，滲流可以直接經粉砂層下滲至內河側；②在電排站閘門底板前沿附近處(薄弱處2)，由于地基不均勻沉降，導致底板斷裂脫空，滲流可以從斷裂脫空處滲入粉砂層，然后經粉砂層下滲至內河側；③涵管邊壁處大多存在截滲墻與涵管邊壁膠結不良或者出現裂縫而形成滲漏通道，水流從該處集中入滲，包括外河側涵管邊壁(薄弱處3)和內河側涵管邊壁(薄弱處4)；④內河側進水池底板處(薄弱處5)，因為地基不均勻沉降，導致底板斷裂脫空，水流從該處集中逸出。

圖2 電排站防滲系統薄弱處

本次計算采用百年一遇洪水位作為計算工況水位，其中壩坡內江側水位為0.8 m，壩坡外江側水位為5.69 m。基于此，防滲體系主要可以分為以下幾種狀況：

狀況1：新老河道分岔處破壞，電排站閘門底板前沿附近處未破壞，涵管邊壁未破壞，內河側進水池底板未破壞，即薄弱處1破壞，薄弱處2、3、4、5均正常。

狀況2：新老河道分岔處破壞，電排站閘門底板前沿附近處未破壞，涵管邊壁未破壞，內河側進水池底板破壞，即薄弱處1、5破壞，薄弱處2、3、4正常。

狀況3：新老河道分岔處破壞，電排站閘門底板前沿附近處未破壞，外河側涵管邊壁未破壞，內河側涵管邊壁破壞，內河側進水池底板未破壞，即薄弱處1、4破壞，薄弱處2、3、5正常。

狀況4：電排站閘門底板前沿附近處破壞，涵管邊壁未破壞，內河側進水池底板未破壞，即薄弱處1、2破壞，薄弱處3、4、5正常。

狀況5：電排站閘門底板前沿附近處破壞，涵管邊壁未破壞，內河側進水池底板破壞，即薄弱處1、2、5破壞，薄弱處3、4正常。

狀況6：電排站閘門底板前沿附近處破壞，外河側涵管邊壁未破壞，內河側涵管邊壁破壞，內河側進水池底板未破壞，即薄弱處1、2、4破壞，薄弱處3、5正常。

狀況7：電排站閘門底板前沿附近處未破壞，外河側涵管邊壁破壞，內河側涵管邊壁未破壞，內河側進水池底板破壞，即薄弱處1、3、5破壞，薄弱處2、4正常。

狀況8：電排站閘門底板前沿附近處未破壞，外河側涵管邊壁破壞，內河側涵管邊壁破壞，內河側進水池底板未破壞，即薄弱處1、3、4破壞，薄弱處2、5正常。

2.4 計算結果

1) 防滲體系為狀況1-狀況3時，從三維模型中截取兩個典型斷面(圖3、圖4)，查看堤壩底板各個位置的水力坡降以及流速，計算結果見表3。結果表明，菊花灣電排站在狀況1-狀況3狀況下電排堤壩底部與內河側均存在一定程度的滲透破壞，抗滲不滿足要求。

表3 狀況1-狀況3計算結果表

圖3 典型斷面1

2) 防滲體系為狀況4-狀況8時，在此情況下從三維圖中選取兩個典型斷面查看堤壩底板各個位置的水力坡降以及流速，結果見表4。計算結果表明，菊花灣電排站在狀況4-狀況8下電排堤壩底部與內河側均存在一定程度的滲透破壞，抗滲不滿足要求。

表4 狀況4-狀況8計算結果表

3 有限元分析結論

根據現場的觀測，菊花灣電排站與菊花灣水閘之間的堤圍路面相對于水閘閘頂面已產生較大的沉降。考慮到電排站和菊花灣水閘為管樁基礎，根據該堤段的地質以及堤圍下沉情況來判斷，電排站閘室底板可能已經脫空，即內河側極有可能已經發生破壞。這與三維有限元模擬結果是吻合的。

與此同時，當內河側發生破壞，無論外河側薄弱環節發生在何處，在外河側破壞處、旋噴樁底部以及內河側破壞處，均會發生滲流破壞。因此，如任其滲流發展，菊花灣電排站將加深破壞，嚴重時甚至會出現潰堤后果。

4 對策建議

1) 菊花灣電排站建設年代較早，運行時間將近30年，水工建筑物存在不同程度的破損，應及時排查并整治。

2) 三維有限元滲流計算顯示，菊花灣水閘和電排站閘室底板底可能發生脫空情況，內河側可能正處于破壞狀態。

3) 基于電排站存在嚴重的滲透安全隱患，綜合考慮該站所處區域排澇能力的現有情況，且地下滲流場分布現狀難以進行防滲加固工程，建議盡快拆除復堤，保障南順二聯圍防洪安全。