渦陽閘砂土滲透性分析

李家財

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230088)

渦陽閘是安徽省境內3個大的節制閘之一,樞紐位于渦陽縣城北郊渦河干流上,由節制閘、船閘等組成。節制閘始建于1958年,共22孔,每孔寬4 m,高8.2 m,閘底板高程22.34 m。船閘于1973年10月建成,按6級航道標準設計,通航能力100 t,閘室長100 m,寬7.5 m,底板高程19.84 m。

渦陽閘泄洪標準按20年一遇標準設計,設計過閘流量2 400 m3/s。按50年一遇校核,校核流量為2 900 m3/s,正常蓄水位28.34 m,最高蓄水位29.34 m。工程等別為II 等大(2)型,主要建筑物級別為2級,次要建筑物級別為3級。該樞紐運行主要是控制渦河洪水,提高了渦河的防洪標準,減輕了渦河下游及懷遠段淮河干流防洪壓力;同時兼有蓄水、排澇、通航等多種功能。

1 工程地質

1.1 地基土特性

根據勘察資料,渦陽閘閘基各土層特性分述如下:

1.2 水文地質條件

本工程區內場地地層均為第四系松散沉積層,地下水主要以孔隙水的形式賦存于下部地層中。根據地下水的儲存、運動和排泄特點,可將其分為孔隙潛水和孔隙承壓水2大類。

孔隙潛水主要分布于場地上部的人工填土、粉質壤土土層中,該含水層系第四系沖積堆積物,結構松散,且受長期干濕交替和耕作的影響,主要接受大氣降水和地表水補給。

孔隙承壓水分布于閘基下部③ 層細砂中,因其上部有一定厚度的相對不透水層(② 層)的覆蓋,其下部④ 層重粉質壤土,構成承壓水層底板。從而形成一定的承壓性。根據地下水水位觀測資料分析:場地地下承壓水頭高度約11.20～12.10 m。

1.3 含水層土的物理性質指標

根據室內土工試驗資料成果可知③層細砂(含水層)含水量為12.9%～37.9%,天然密度為1.83～2.10 g/cm3,干密度為1.47～1.62 g/cm3,孔隙比為0.481～0.825,土粒比重為2.66～2.71。室內顆分試驗結果表明砂土平均控制粒徑d60=0.163 mm,平均有效粒徑d10=0.074 mm,不均勻系數Cu=2.2,其組成如圖1所示。

圖1 顆粒分析試驗曲線

根據設計報告,渦陽樞紐底板高程22.84 m,由地質剖面來看,基建面位于② 層中～重粉質壤土下部或③ 層細砂表部。施工開挖后,因上覆(② 層)厚度較薄或缺失,在承壓水水頭作用下,易在坑底產生突涌等滲透穩定問題。因此,為設計提供合理的滲透性指標,需對該層土的滲透性進行分析、研究。

2 抽水試驗

2.1 抽水試驗觀測線布置方案

為進一步了解含水層土的滲透性能及其變化規律,結合建筑物重要等級及水文地質條件,本方案共布置2條觀測線,每條觀測線上共布置4孔。在樞紐上游,觀測線方向與地下水流向平行,下游觀測線與地下水流向垂直。孔距布置原則如下:第1觀測孔與抽水孔距離3 m,第2觀測孔為含水層1.5倍(6 m),第3觀測孔為含水層3倍(12 m)。樞紐上游抽水試驗井孔結構剖面圖如圖2所示。

圖2 抽水試驗井孔結構剖面圖

2.2 抽水試驗孔結構

抽水試驗孔孔徑300 mm,過濾管直徑150 mm,其中:試驗段為花管,沉淀管及試驗段的上部均用φ150 mm實管,每根長2 m～3 m,接箍聯接。試驗段花管外包裹1～2層孔徑0.18 mm過濾網(尼龍布),細鐵絲纏緊。過濾網外用粗砂過濾。潛水層與承壓水層之間用半干粘土球回填封堵,主要目的是阻滯上層潛水下滲。

2.3 抽水試驗孔成孔工藝

① 抽水試驗孔成孔前應進行先導孔的施鉆工作,初次成孔孔徑不小于89 mm。先導孔完成后,下一步進行擴孔工作。可根據土層鉆進難易程度分級次擴孔。鉆探成孔盡量采用清水作循環液,砂性土孔壁穩定性較差,可利用上部的粘性土提前造漿護壁。② 擴孔工作結束后,可將事先配置好的沉淀管、過濾管及實管依次下入孔內。最后再下入濾料(粗砂過篩),用粘土球進行土封堵并及時繪制安裝結構圖。③ 抽水試驗前需反復清洗工作,因本次鉆進成孔時采用了造漿護壁,先用清水對孔內泥漿進行置換、稀釋,再采用“活塞洗孔法”進行清洗。其原理是利用鉆機卷揚帶動活塞在套管內做上下往復運動形成的負壓,打通過濾管與含水層之間的滲水通道,抽水工作同時進行,直至達到水清砂凈無沉淀方可進行正式抽水試驗工作。

2.4 抽水試驗降深與穩定延續時間

(1)降深。本次抽水試驗方案為多孔抽水,試驗降深順序宜從小到大依次進行,最大降深不宜降低到含水層底板以下。抽水試驗要定期觀測動水位和涌水量,開始試驗時一般時隔5～10 min觀測一次,趨于穩定時可調整為20 min一次,直至結束。

(2)穩定延續時間。本工程在閘上、下游2條觀測線上共進行了6次降深抽水試驗,每次穩定延續時間均大于4 h,每次降深連續不間斷。試驗過程中抽水孔、觀測孔的動水位測量由專人負責,統一指揮。圖3為閘上游側抽水試驗現場繪制的Q-t、S-t曲線和試驗結束后水位恢復曲線。

圖3 Q-t,S-t及水位恢復曲線圖

3 試驗成果分析

表1 抽水試驗成果表

由表1可知:閘基土③ 層細砂滲透系數最小值為7.03×10-3cm/s,最大值為8.62×10-3cm/s,平均值為7.93×10-3cm/s。從計算成果來看,閘基土具中等透水性。

對表1中6組數據(滲透系數值K)進行統計、分析,其標準差為0.513,變異數為0.06。由此可進一步判別,試驗成果滲透性系數分布集中,離散程度小,平均數的代表性好。

4 結束語

抽水試驗(多孔)的優點是:可用在任一觀測線上的2個觀測孔的降深來計算含水層的滲透系數,過程簡便。而且在計算過程中不需考慮影響半徑、地下水流態等因素的影響。成果能客觀、真實地反映含水層的透水性。

本工程實例運用上述試驗方法,對獲得的原始數據進行統計、分析,確定了場地③ 層細砂的滲透系數。對本工程而言,準確、合理的滲透性指標為工程降水方法的選擇和降水系統的平面布置提供了強有力的技術支撐,對流域內相關工程建設有一定的參考實用價值。