銅陵市郊區(qū)紅旗站砂基防滲排水設(shè)計(jì)

張芳芳

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

灌溉排水泵站作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的公益性基礎(chǔ)設(shè)施，是民生水利的重要組成部分。處于江河河口位置的排澇泵站，地基多為透水性較強(qiáng)的砂性土層，在滲透水流作用下，其中的細(xì)小顆粒易被帶走，甚至掏空，嚴(yán)重影響建筑物基礎(chǔ)安全。因此，在這類(lèi)地基的工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分重視基礎(chǔ)防滲處理，根據(jù)站址地質(zhì)條件和泵站揚(yáng)程等因素，結(jié)合兩岸連接結(jié)構(gòu)和進(jìn)出水建筑物的布置，設(shè)置合理可靠的防滲排水系統(tǒng)。

目前，不少學(xué)者已對(duì)建筑物基礎(chǔ)滲流進(jìn)行了不同深度的研究分析，獲得了豐富的研究成果。毛昶熙[1]研究了滲流機(jī)理，建立多種數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并以實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行了驗(yàn)證；邢莉[2]分析了排澇泵站地基滲透破壞的機(jī)理，結(jié)合泵站加固后運(yùn)行情況，驗(yàn)證了前池外圍封閉高壓擺噴防滲墻的作用；劉健等[3]以四川昭化水電站為例，采用有限單元法分析了不同尺寸防滲墻的處理效果及滲透坡降變化規(guī)律；李聰磊[4]根據(jù)工程實(shí)例，對(duì)比不同深度高壓擺噴墻在透水土基中處理前后的滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，論證了落底式防滲措施的可靠性和適用性；殷清明[5]以團(tuán)洲泵站為例，提出了塑性混凝土防滲墻在砂卵石地層中成墻的難點(diǎn)及解決辦法。

然而，塑性混凝土防滲墻在大中型泵站強(qiáng)透水砂基防滲處理中的研究相對(duì)較少。文章將結(jié)合銅陵市郊區(qū)紅旗站，通過(guò)有限元計(jì)算軟件——Autobank對(duì)深厚透水砂基上的滲流特點(diǎn)、塑性混凝土的防滲效果進(jìn)行分析，并提出合理的排水措施，進(jìn)一步增強(qiáng)基底滲流安全。

1 工程概況

1.1 建設(shè)背景與規(guī)模

紅旗閘興建于1966年，地處陳瑤湖流域，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，先后進(jìn)行了數(shù)次加固，仍存在進(jìn)出口渠道淤積、閘底滲流嚴(yán)重等安全隱患，工程排澇效率低，無(wú)法正常運(yùn)行和發(fā)揮作用。為完善陳瑤湖流域的防洪排澇體系，減輕流域防洪壓力，在紅旗閘原址拆除新建銅陵市郊區(qū)紅旗站。擬建站址緊靠長(zhǎng)江左岸樅陽(yáng)大堤，內(nèi)側(cè)為排澇干河。泵站工程任務(wù)以圩區(qū)排澇為主，兼顧陳瑤湖排洪，并保留相機(jī)引江灌溉功能。

紅旗站設(shè)計(jì)抽排流量為48.5m3/s，設(shè)計(jì)自排流量為15.7m3/s，設(shè)計(jì)自流灌溉為2.4m3/s，裝機(jī)5臺(tái)套，單機(jī)功率為1200kW，總裝機(jī)6000kW。泵站工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，泵房等主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。泵站采用堤后式布置型式，順?biāo)飨蜃陨隙乱来螢榕艥骋r污檢修閘、前池、站身、壓力水箱、排澇出水涵及防洪閘、出水消力池等。

1.2 地質(zhì)條件

泵站底板建基面高程為-1.25～5.10m(吳淞高程基準(zhǔn)，下同)，根據(jù)地質(zhì)勘探試驗(yàn)結(jié)果，站址處建基面以下土層類(lèi)型及主要參數(shù)見(jiàn)表1。

工程場(chǎng)地基本地震峰值加速度為0.1g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。根據(jù)土樣液化指數(shù)判別場(chǎng)地液化等級(jí)為輕微，③1層砂壤土為液化土，其他為不液化土[6]。

站基座落在②層淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土、③1層砂壤土、③層細(xì)砂上，下臥層依次為④中砂、⑤砂礫石、⑥泥質(zhì)砂巖。孔隙潛水主要賦存于②層淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土，受地表水影響變化較大；承壓水則分布于③1層砂壤土、③層細(xì)砂上，下部為④層中砂、⑤層砂礫石中，與長(zhǎng)江水聯(lián)系密切。根據(jù)表1，下臥中等透水性及強(qiáng)透水性砂層厚度為30～40m，深厚透水砂基勢(shì)必成為圩內(nèi)水與外江水的聯(lián)系通道，在高水頭作用下將產(chǎn)生較強(qiáng)的滲透力，頂托建筑物底板，威脅站基安全穩(wěn)定[2]。因此，對(duì)站基進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析十分必要。

表1 紅旗站站址建基面以下土層分布及參數(shù)特性表

2 滲流分析及防滲布置

2.1 站基防滲長(zhǎng)度

泵房基底防滲長(zhǎng)度應(yīng)滿足公式L=C·ΔH，式中L為站基防滲長(zhǎng)度(m)，ΔH為上下游水位差(m)，C為允許滲徑系數(shù)。站基防滲長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，設(shè)計(jì)防滲長(zhǎng)度大于計(jì)算值，滿足要求。

表2 泵站基底防滲長(zhǎng)度計(jì)算

2.2 站基滲流計(jì)算

研究泵站基礎(chǔ)滲流問(wèn)題時(shí)，可假定地基是均勻、各向同性的，滲水不可壓縮，并符合達(dá)西定律[1]。站基滲流運(yùn)動(dòng)可用拉普拉斯方程表示：

(1)

式中，h—滲流在某點(diǎn)的計(jì)算水頭，m，為坐標(biāo)的函數(shù)，稱(chēng)之為水頭函數(shù)；x、y—位置坐標(biāo)，m。

基于上述滲流方程，選取典型工況建立模型，采用二維滲流有限元分析軟件——Autobank對(duì)站基進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。為保證滲水安全排出，在前池底板水平段設(shè)置排水孔，即為滲流出口[7]。選取泵站實(shí)際運(yùn)用中水頭最大作為計(jì)算工況，工況1：最高水位運(yùn)行期，即長(zhǎng)江側(cè)為最高運(yùn)行水位17.10m，圩內(nèi)側(cè)為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位7.70m，水位差9.40m；工況2：前池檢修期，即攔污檢修閘上游為設(shè)計(jì)運(yùn)行水位7.70m，閘下(前池)無(wú)水，水位差7.25m。兩種工況下基底滲流出逸部位分別為前池臨站身側(cè)及臨攔污檢修閘側(cè)，出口所在土層為③層細(xì)砂土，通過(guò)土樣顆分曲線計(jì)算，該層不均勻系數(shù)Cu=2.0～4.3，依據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》判斷其可能發(fā)生的滲透破壞類(lèi)型主要為流土[6]。

站基滲流結(jié)果見(jiàn)表3，如圖1、圖2所示。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，③細(xì)砂層、④中砂層及⑤砂礫石層地基透水性強(qiáng)，承壓水不斷從高水位一側(cè)得到補(bǔ)給，滲流水力梯度小。兩種工況下滲流出口段滲透坡降均遠(yuǎn)超允許值，滲透力頂托建筑物底板，可能出現(xiàn)流土破壞，嚴(yán)重威脅站基安全[8]。

圖1 最高水位運(yùn)行期天然地基滲流等勢(shì)線

表3 站基滲流穩(wěn)定計(jì)算

2.3 防滲布置

為增強(qiáng)站基滲流穩(wěn)定，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆罎B處理措施。針對(duì)透水層較厚的水利工程，垂直截滲措施可延長(zhǎng)滲徑，降低出逸滲透坡降，效果較好。根據(jù)墻體是否深入不透水層，可分為懸掛式防滲墻與落底式防滲墻。對(duì)于深厚透水砂層，懸掛式防滲墻在一定程度上能降低出逸坡降，但不顯著，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此擬定設(shè)置落底式防滲墻[4]。其常用的處理方式主要有樁柱型(攪拌樁、高壓噴射灌漿等)、地下連續(xù)墻(機(jī)械開(kāi)槽灌注混凝土或黏土成墻)等[9]。攪拌樁樁長(zhǎng)受施工工藝限制，無(wú)法滿足要求；高壓噴射灌漿效果易受砂土顆粒不均勻程度等土質(zhì)條件影響，對(duì)孔斜率要求高。而塑性混凝土具有抗?jié)B性能佳、可靠性高，低彈膜、與周?chē)馏w變形協(xié)調(diào)性能強(qiáng)，且施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于堤壩、站閘、圍堰等各種水利工程地基防滲[10]。結(jié)合工程場(chǎng)地防震抗液化，選定前池設(shè)置塑性混凝土防滲圍封墻處理方案，墻底深入砂巖層[9]。具體布置如下：

沿前池外圍塑性混凝土防滲圍封墻，墻體進(jìn)水側(cè)起于進(jìn)水閘底板末端齒槽，出水側(cè)止于站身底板首端齒槽，側(cè)向沿前池翼墻前墻基礎(chǔ)外緣，構(gòu)成圍封體系。墻體深入⑥泥質(zhì)砂巖層不小于1m，平均深度為36m，總長(zhǎng)度約為170m。根據(jù)抗?jié)B及耐久性要求，并結(jié)合同一流域類(lèi)似排澇泵站工程經(jīng)驗(yàn)，確定防滲墻厚度為0.6m。

另外，為改善站基接觸面滲流條件，將進(jìn)水渠、攔污檢修閘、站身建基面以下薄層③1砂壤土層挖除后置換為水泥土，水泥摻量10%，換填深度為1.0～1.8m。防滲墻頂部應(yīng)伸入上述換填水泥土內(nèi)0.7m，并覆HDPE土工膜，具體連接方式參如圖3所示。

圖3 防滲墻頂部連接示意圖

2.4 塑性混凝土防滲墻工藝參數(shù)及截滲效果

塑性混凝土防滲墻墻體施工工序包括造孔成槽、清孔驗(yàn)收、水下混凝土澆筑等，操作簡(jiǎn)單、易實(shí)施[11]。紅旗站防滲墻工程主要采取液壓抓斗成槽，膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁等工藝[12]。其中，膨潤(rùn)土泥漿密度不大于1.15g/m3，馬氏漏斗黏度為32～50s，含砂量不大于6%。墻體材料主要性能指標(biāo)：水泥強(qiáng)度等級(jí)P.O42.5，水泥用量大于80kg/m3，膨潤(rùn)土量大于40kg/m3，水泥與膨潤(rùn)土的合計(jì)用量大于160kg/m3，膠凝材料總量大于240kg/m3，砂率不小于45%。圍封墻段分段連接采用接頭管法施工，澆筑形成的墻體應(yīng)均勻、連續(xù)，不應(yīng)有混漿、夾泥、孔洞等[5]。墻體28d抗壓強(qiáng)度為1.0～5.0MPa，28d靜壓彈模為600～1000MPa，滲透系數(shù)K

對(duì)防滲加固后的站基建立模型進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，安全起見(jiàn)，防滲墻滲透系數(shù)取1.0×10-6cm/s。依據(jù)防滲加固后的滲流等勢(shì)線(圖4、圖5)，前池外圍設(shè)置防滲墻使得滲流垂直向滲徑得到明顯延長(zhǎng)，墻底深入⑥泥質(zhì)砂巖層，滲流水頭在墻底處驟降，滲流通道基本被截?cái)郲14]，滲流出口水力坡降<0.01，截滲效果顯著。因此，塑性混凝土防滲墻處理措施是行之有效、安全可靠的。

圖4 最高水位運(yùn)行期防滲加固后站基滲流等勢(shì)線

圖5 前池檢修期防滲處理后站基滲流等勢(shì)線

3 站基排水設(shè)計(jì)

通過(guò)以上防滲墻措施對(duì)站基進(jìn)行加固后，滲流出口段水力坡降已滿足設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步保證泵站運(yùn)行期基底滲水順暢導(dǎo)出，設(shè)置以下措施[15]：

(1)前池平底段33.75m長(zhǎng)范圍內(nèi)布置DN100排水孔，孔距為1.5m，平面呈梅花形；并在相應(yīng)位置設(shè)置反濾層，自下而上分別為0.3m厚中粗砂、0.25m厚瓜子片、0.25m厚碎石，反濾層下覆土工布，以防地基土細(xì)顆粒被滲水帶走[16]。

(2)前池內(nèi)布置24口φ500排水砂井淺井(梅花形)，井底深入砂層5m，以便將砂層承壓水充分導(dǎo)出。砂井頂部高出底板頂面高程0.3m，安置活動(dòng)板，防止井口淤堵，便于檢修。另外，結(jié)合施工期基坑降水，在前池布設(shè)排水深井[17]。

(3)前池兩岸翼墻底板以上1.5m處設(shè)置排水孔，豎向間距為2m，可布設(shè)多層，水平向間距亦為2m，總體呈梅花形布置，以降低運(yùn)行期墻后水位，削減側(cè)向繞滲。排水孔后統(tǒng)一設(shè)置反濾料。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)砂土地基上的建筑物底板易發(fā)生滲透破壞，應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)、地質(zhì)條件、上下游水位差，并考慮施工條件等因素，綜合分析選定適當(dāng)?shù)姆罎B處理方式。

(2)目前，紅旗站防滲墻墻體工程已實(shí)施完畢，成功通過(guò)了深基坑滲水的考驗(yàn)，初步驗(yàn)證了前池設(shè)置塑性混凝土防滲圍封墻、滲流出口設(shè)置反濾等防滲排水措施的有效性[18]。以上措施將為排澇、排洪泵站，水閘等工程中透水地基的防滲排水、基坑降水及抗液化等問(wèn)題提供重要的借鑒意義。

(3)文章主要采用有限單元法對(duì)站基進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析設(shè)計(jì)，后期項(xiàng)目完工投入運(yùn)用后，應(yīng)收集各工況前池滲流坡降等資料，進(jìn)一步佐證設(shè)計(jì)措施的可靠性。