某排澇站主要建筑物防滲分析

文／賈麗軍 陽谷縣水利局 山東聊城 252300

1.工程概況

該排澇站工程位于低緯、亞熱帶季風氣候區，常年溫度高、濕度高；在冬，無霜期為341 天，年平均溫度為21.9℃，年均降水量1799mm，年的平均相對濕度在75-82%之間，年均蒸發面積為1749m2，且在不同年份間有很大的差異。以北風為主，夏季以東南風為主，冬天以偏北風為主，年均風速為2.5m/s，年均最大風力為13.6m/s，最大風速為27.9m/s。

由于受地形的限制，本次排澇站布置空間受限制，排澇站及管理區的布置均在河道和河道兩側劃定區域范圍內布置。本工程主要由兩部分組成，電排站和自排閘，電排站平行于自排閘布置，考慮自排時水流的順暢和減小施工開挖對廠房的影響，自排閘布置在靠近主河道位置，電排站緊鄰自排閘左側布置。主廠房布置在電排站中間，安裝間布置在電排站主廠房左側，副廠房分兩部分，分別布置在主廠房右側的自排閘內河側箱涵上部和主廠房內河側。

排澇站管理區緊湊布置在泵房和副廠房外側，共計占地2.0 畝，布置有回車場、倉庫和砼路面等。管理用房布置在副廠房上層，副廠房和管理用房共三層，一層為高、低壓機柜室、二層為辦公室及中控室、三層為值班室及宿舍，總建筑面積1345.57m2。為方便管理，管理區大門布置在引渠左側，兩側堤頂道路通過電排站出水箱涵、自排涵閘頂連通。電排站由內到外依次為：引渠、清污橋、前池、泵房、出水箱涵、防洪閘、出口消力池和出水渠；自排閘自內向外依次為：內河連接段、閘室、消力池和出水渠等組成。

2.地質條件分析

該排澇站工程所在地區屬于一級階地，其高度在6.33-10.22m 之間，屬于沖積平原。構造運動顯著，地震也常發生，屬于中等程度震級，對于4 級以下的小型地震，由于地區構造穩定，不會造成大的傷害。通過勘察鉆孔調查，部分區域存在溶洞，屬于一般發育，發育的溶洞埋深較大，溶洞厚度較小，對場地穩定影響不大。總體來看，本場區區域構造穩定性較好，無嚴重地質災害隱患或不良土層發育，場地穩定，適宜本工程的建設實施。場地內場地土的類型為中軟土，建筑場地類別為Ⅱ類，地震動反應譜特征周期值調整為0.35s。該場地8km 范圍內無活動斷層，屬于抗震有利地段，抗震穩定性較好。在基本烈度為6 度區，可不考慮飽和砂土或粉土的液化影響。

通過勘探揭露地層自上而下分別為：①填土層、②-1淤泥層、②-2 中粗砂層、③殘積土層和④弱風化灰巖層。

本場區土層中①填土層性質不均勻，穩定性較差，壓縮性、滲透性等土性差異較大，滲透性等級為弱～中等透水，易受水流的沖刷作用而發生坍塌等不良工程問題，未經處理一般不宜作為建筑物的天然基礎持力層；②-1 淤泥力學性質較差，壓縮性較大，抗沖刷能力較差，不能作為天然基礎持力層；②-2 中粗砂層結構松散，厚度小，穩定性較好，抗沖刷能力較差，滲透性等級為中等-強透水，為地基中的相對透水層，承載力中等，由于埋深較大作為一般建筑物的天然地基持力層極不經濟，可作為樁基礎持力層；③殘積土層穩定性較好，抗沖刷能力較好，滲透性等級為微～弱透水，呈可塑狀態，厚度較大，承載力較高，可作為樁基礎持力層；④弱風化灰巖力學強度高，是鉆（沖）孔樁基礎良好持力層。

3.主要建筑物防滲布置

3.1 排澇站防滲布置

電排站由內到外依次為：引渠、清污橋、前池、泵房、出水箱涵、防洪閘、出口消力池和出水渠。

電排站前池平面上呈矩形，順水流方向長度12.00m，垂直水流方向寬度 17.10m，橫斷面為矩形。前池底板面高程為4.00 ～1.50m，坡比為1:4.8。前池采用整體式C25 砼U 形槽結構，左、右岸采用C25 鋼筋砼邊墻，厚度0.8m，墻頂高程為8.80m，底板采用C25 鋼筋砼護底，厚度為0.80m，底板下設置濾層，自上而下依次為油毛氈（砼初凝后捅破）、碎石墊層厚200、中粗砂墊層厚100、反濾土工布一層（300g/m2）。濾層的作用是防止滲流出口處土體由于滲流變形或流失而引起破壞。濾層的設計，最基本要求是不允許基土流失或穿過濾層造成堵塞，從而影響濾料的透水性和被保護土的穩定性。

泵房由副廠房、主廠房和檢修間組成。副廠房、主廠房和檢修間平面上呈一字型布置，主廠房布置在中間，副廠房分兩部分，第一部分布置在主廠房的內河側，第二部分布置在主廠房右側，即自排閘內河側箱涵上部；檢修間布置在主廠房和第一部分副廠房的左側。泵房分上、中、下三層。下層為充滿水的進水室，安裝水泵；中層為聯軸9 層；上層為電機層，安裝電動機。

泵房順水流方向長18.50m，垂直水流方向長度17.10m。水泵層底板面高程為1.50m，底板厚1.00m，共安裝有3 臺1400ZLB5.5-3.5 型立式軸流泵，水泵安裝高程是4.60m，水泵機組中心距5.50m。聯軸層地面高程為7.90m，水泵與電機的轉軸通過聯軸器在該層連接。聯軸層設工作橋作為工作人員巡視檢修水泵的通道，泵房中墩開設門字型廊道聯通連軸層。電機層樓面高程11.80m，機組段的平面尺寸為17.10m×9.50m。該層安裝3 臺立式異步電機，型號為 YL630-16355kW，電機層上空設LDA-10t 單梁吊車，吊車梁軌道安裝高程為20.00m。

電排站采用一泵一涵式出水。出水箱涵連接泵房和防洪閘，為C25 鋼筋砼整體結構，順水流方向長度為12.0m，共3 孔。泵房側底板面高程為6.45m，邊孔孔口尺寸為4.75m×2.50m，中孔孔口尺寸為5.00m×2.50m；防洪閘側底板面高程為4.55m，孔口尺寸均為3.00m×2.50m。出水箱涵頂部填土面設砼路面和砼地面回車場。出水箱涵底板面高程為6.15 ～4.55m，坡比為1:5.8，底板底面高程為3.55m。底板厚度為1.00 ～0.60m，泵房側底板采用空箱結構，空箱高度為0.30 ～1.80m，空箱底板厚度為0.60m，隔板和頂板厚度為0.50m。

防洪閘采用胸墻式結構，防洪閘由閘室段和涵閘段組成，順水流方向總長度 10.00m，其中閘室段長度6.25m，涵閘段長度3.75m。閘室段垂直水流方向總寬度為13.00m，涵閘段單孔過流尺寸為3.00m×2.50m，共3 孔。閘底板面高程為 4.55m，底板厚度1.00m，10閘頂高程 11.60m，邊墩厚度0.8m，中墩厚度1.2m。胸墻布置在閘門內河側，采用“L”型實心板式結構。閘室上部布置工作橋，工作橋寬度為1.35m 和1.85m，工作橋采用板式結構。為保證防洪閘和泵房防滲地下輪廓線的長度，確保在滲透水流作用下兩岸及閘基的抗滲穩定性，外河側閘底板下設有1 排拉森-Ⅲ型鋼板樁防滲墻，鋼板樁嵌固于閘室底板上，樁長6.00m，樁底高程-3.00m，深于泵站基底中粗砂層底面高程-2.19m 進入相對不透水層。防洪閘兼起電排站事故斷流作用，閘門采用平面鋼閘門，采用快速卷揚式啟閉機啟閉，布置于防洪閘上方的啟閉機房中。

3.2 水閘防滲布置

水閘內河護坦及翼墻和電排站引渠平行布置，底高程為4.00m，順水流方向長25.00m，共兩段。由內而外長度分別為13.00m 和12.00m。內河護坦由內向外第一段長度為13.00m，總寬為15.50m，采用分離式矩形結構，右側為鉆孔灌注樁排樁擋墻，左側為清污橋邊墩，底部為C25 砼護底，厚0.80m；第二段長度為12.00m，總寬為15.50m ～14.00m，采用分離式矩形結構，右岸為鉆孔灌注樁排樁擋墻，左岸為前池U 形槽邊墻，底部為C25 砼護底，厚0.80m。內河護坦底板下設置濾層，自上而下依次為油毛氈（砼初凝后捅破）、碎石墊層厚200、中粗砂墊層厚100、反濾土工布一層（300g/m2）。

自排閘為涵洞式，由閘室段和涵閘段組成，順水流方向長22.00m，其中閘室段長度6.00m，涵閘段長度16.00m，砼強度等級為C25。閘室段垂直水流方向總凈寬為12.00m，共2 孔，單孔凈寬6.00m。閘底11板面高程為4.00m，底板厚度1.00m，閘墩頂高程為11.60m，高度為7.60m，兩側邊墩厚0.80m，中墩厚0.80m ～1.20m。胸墻布置在閘門內河側，采用“L”型實心板式結構。閘室上部布置工作橋，工作橋寬度為1.25m和1.85m，工作橋采用板式結構。涵閘段單孔過流尺寸為6.20m×4.00m（寬×高），共2 孔，頂板底面高程為8.00m，厚度為0.60m。箱涵頂部設砼路面和停車場，高程為11.60m。為保證閘室防滲地下輪廓線的長度，確保在滲透水流作用下兩岸及閘基的抗滲穩定性，在外側閘底板端部處設有一排拉森-Ⅲ型鋼板樁防滲墻，鋼板樁嵌固于閘室底板上，樁長6.00m，樁底高程-3.50m，深于閘基底中粗砂層底面高程-2.07m 進入相對不透水層。閘門采用平面鋼閘門，共2 扇，卷揚式啟閉機布置于自排閘上方的啟閉機房中。

4.滲流分析

4.1 引水箱涵過流能力分析

進口底板高度為17.5m，出口板高度為16.4m，箱涵尺寸為3.0m×2.5m。

（1）當蓄水池高度很小時，根據輸水渠道的平均流量計算，箱涵入口水最高在18.5m，為無壓流隧洞，過流容量見表1。

表1 無壓流箱涵過流能力計算

（2）對高水位的前調節水庫進行了流型識別。①箱涵出口處的水位比箱涵洞頂部低18.9m，箱涵的相對高D=2.5m，排液面h＜D 時，箱涵流態為非淹沒壓力流，過流能力詳見表2。②出水口深h＞D 時箱涵其流型為淹沒壓力流，出口水位為19.5m，其過流容量見表3。

表2 非淹沒壓力流箱涵過流能力計算

表3 淹沒壓力流箱涵過流能力計算

由以上三個計算結果可知：當上游水庫水位低于19.5m 時，只要開啟1 個機抽水即可滿足需要，當輸入的水位在19.5-20.5m 時，需要開啟2 個機抽水，當輸入的水位高過20.5m 時，引水渠隧道襯砌過流能力超過泵站設計方案防洪總流量11.5m3/s，需開啟3臺機抽排。

（3）自排過流能力計算。其中，最小的水位為17.0m，最高為21.0m。不同運行頻次的外河水面自排過流容量計算詳情見下表4。

表4 自排過流能力計算（淹沒壓力流）

由上述結果可知，當外河水與前水池的落差為1.0 時，其自排水總量達到23.8m3/s-1。

4.2 泵房分析

根據規范要求對泵房進行抗滑平穩、泵房基礎地應力和泵房的抗浮穩性進行分析。根據現場地質數據，該電站泵房在較細的砂層上，其最大的容許承載量為150KPa，在混合地基和細砂層之間的摩擦力f 為0.35，在基礎工作狀態下，其抗滑平順的安全因子[K]是1.25，基礎上的地應力是0-150KPa，不均勻性系數和防浮性穩定安全因子[Kf]是1.10；特殊結構在工作狀態下的防滑順安全因子[K]是1.10，基礎地應力是0-150kPa，不均勻性是2.5，抗浮性穩定安全因子[Kf]是1.05，對水泵室的穩定性進行了分析。計算表明：主泵房抗滑、抗浮、承載能力穩定，滿足設計規范的設計。

4.3 防洪閘分析

根據《水閘設計標準》規定，閘門的穩定性和閘室基底應力容許值σ 分別為1.20 和1.10，而抗浮穩性安全因子[Kf]為1.10。地基在細砂土中，地基允許的最大承載力為150KPa，測試結果：滑動穩定的安全因子滿足SL265-2016 的規定，在《水閘設計標準》中，基底應力不均性也是符合要求，并且閘門的穩定性和路基的應力都滿足設計需要。

4.4 電排站滲流穩定分析

該站采用河床式布置，因此滲流穩定計算主要為基底滲流穩定計算，不需進行側向防滲穩定計算。由于泵站前池出口底板高程與中粗砂面層高程相近，上覆淤泥層較薄，且地質鉆孔涂層分界存在人為主觀判別因素，偏安全起見，按建基面位于中粗砂層考慮。

電排站防滲段主要由下水道段（也就是排水段）、泵房和防洪閘段、進水前水池段（泵房上游至反濾層），依據地質調查，按照內河前池建基面位于中粗砂層的原則，應先確定出口段滲流的類型（流土型或管型）。根據《水利水電工程地質勘察規范》GB50487-2008，確定滲流變形的種類，并根據現場的地質情況，確定中粗砂的滲流破壞形式，并根據現場的地質情況，確定中粗砂的滲流破壞形式為過渡性。本階段電排站滲透穩定計算方法同水閘滲流穩定計算方法，均采用規范推薦的改進阻力系數法計算，計算結果見表5。

表5 電排站滲流穩定計算成果表

電排站各工況下水平段滲透坡降均小于基底中粗砂層的水平段允許滲流坡降0.13，各工況下出口段滲透坡降段均小于基底中粗砂層的允許滲流坡降0.40，滿足規范要求。

結語：

通過設置鋼板樁防滲墻穿透中粗砂層進入相對不透水層、抬高滲流出口高程增加淤泥層蓋重，泵站抗滲穩定得到保證。從泵站完工后連續2年的汛期試運行結果來看，排澇站運行平穩，各項數據監測正常，無滲透變形、沉降變形等現象，工程方案比較合理，對同類水利工程具有一定的借鑒意義。