南水北调东线八里湾泵站渗透稳定分析.doc

南水北调东线八里湾泵站渗透稳定分析.doc 南水北调东线八里湾泵站渗透稳定分析 摘要:为了解决八里湾泵站主泵房场区潜水和承压水复杂渗流问题，采用地下连续墙围封、排水孔、水平排水管、减压井等多种渗透稳定控制，延长渗径，增加上游水头损失，降低下游水位。与此同时，采用三维渗流数学模型法对地基渗流场进行求解，确定了地下连续墙的深度和排水孔、排水管、减压井间距，优化了渗流控制措施，成功解决了泵站的设计难题。研究结果可以为平原成层地层地区泵站工程的渗流和渗控设计提供参考。 关键词:八里湾泵站;渗透稳定;承压水;地下连续墙;排水孔;减压井;中粗砂垫层 中图分类号:TV68;TV223.4 文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2014) 01-0110-04 渗透稳定分析是水工建筑物设计工作中必不可少的重要环节之一。对于砂土地基上的水工建筑物来说，由于长期处于高水位差运行，极易在地基土中形成稳定的渗流场，使得土体内部的细颗粒被冲出、带走，从而导致土体变形，引起土体的稳定问题，严重时，会酿成破坏事故[1-3]。目前的实际工程中，对水工建筑物的渗透稳定分析和防渗排水设计有很多成功的案例。但是在平原地区成层地层的砂土地基上，既有承压水也有潜水，既有有压流也有无压流，既有饱和带也有非饱和带，而对于这类复杂的多元的渗流场进行深入分析的工程较少[4]。本文通过对具有该渗流特性的 八里湾泵站工程进行分析计算，以确定渗透稳定控制措施。 1 工程概况 八里湾泵站工程为南水北调东线第一期工程南四湖-东平湖段输水与航运结合工程的组成部分，位于山东省东平县境内的东平湖新湖滞洪区，是南水北调东线工程的第十三级泵站，也是黄河以南输水干线最后一级泵站。工程主要任务是抽引前一级邓楼站的来水入东平湖向北调水，并适当承担东平湖新湖区的排涝任务。泵站站址位于东平湖新湖区内、柳长河以东。泵站设计调水流量为100 m3/s，安装4台机组，单机容量2 800kW，总装机11 200 kW，为?等工程，主要建筑物为1级，泵站上、下游设计防洪为30年,1 000年一遇。泵站设计洪水位站上为44.8 m，站下为43.8 m。泵站采用堤身式站身直接挡洪方案，主泵房顺水流向长35.5 m，宽34.7m，是东平湖防洪大堤重要组成部分，泵站一旦存在地基渗透稳定问题，将危及整个泵站的稳定性。因此，必须对泵站地基渗透稳定进行充分分析计算，采取合理的渗透稳定控制措施。 2 泵站水文地质条件 泵站场区地下水类型为松散岩类孔隙水。根据地层岩性和含水层水力特性，可以将场区含水层系统划分为4层含水层和4层隔水层。其中，第1、2含水层为潜水，第3、4含水层为承压水，第4层含水层和隔水层位于建筑物基础以下较深部位，可不考虑其对泵站渗透稳定的影响[5]。其余各土层渗透特性见1。 [JP+1]场区内潜水受季节或枯水和丰水期的影响，与周围地表水体(沟、渠、塘、湖)有一定的水力联系，主要接受沟、渠渗漏和大气降水 补给，并通过地面蒸发排泄。潜水水位为37.60 m。第3层弱承压含水层与东平湖湖水有水力联系，且随东平湖上级湖水位升降而升降。在勘探期间内(7月、8月份，正值主汛期)，东平湖水位为40,43.52 m，承压水水位为38.4,39.1 m，水头为13.3,15.2 m，超出地表约1.2 m左右。 3 渗透稳定分析与控制 3.1 稳定分析 泵站未建前，场区潜水与承压水相互影响不明显，无密切水力联系。泵站建成运行后，场区潜水和第3含水层的承压水便一起汇积到泵站第1或第2含水层中，然后流向泵站进水池和前池，在场区潜水和承压水共同作用下，泵站基础底面形成了一个复杂的多元的渗流场[6]。 泵站主泵房底板底面为折线，底高程为24.6,25.65 m不等，持力层主要为第(8)土层，取渗径系数C=7[7-8]，泵房上、下游设计最大水头差ΔH=8.38 m，经计算，需防渗长度L=58.66 m。现有建筑物的正向防渗长度约为65.5 m，侧向防渗长度约为60.5 m，均满足防渗安全要求。但因基础位于或接近承压含水层即第(8)层中细砂层，承压水头高达约15 m，且与东平湖老湖区有一定的水力联系，经过泵站多年运行，泵房地基下形成了一个渗流场，因此，在进水池低水位运行条件下，尤其在老湖区滞洪条件下，承压水对主泵房的抗滑稳定(因承压水引起浮托力增大)、地基的渗透稳定都不利，泵房进水池、前池的抗浮稳定均存在安全隐患。 因此，在考虑主泵房的防渗措施之前，必须先对前池和进水池(取前池和进水池底板高程最高处，为31.3 m)进行抗浮稳定计算。根据地质勘探资料，取承压含水层顶面计算高程为26.5 m，按老湖滞洪时的计算承压 水位43.5 m与设计运行水位36.42 m的不利组合工况计算，结果显示，在承压水的顶托作用下，前池和进水池底的抗浮稳定安全系数为0.9，不能满足文献[9]规定的抗浮稳定允许安全系数1.05。 由此可见，虽然主泵房正向和侧向防渗长度均满足规范要求，但是仍然需要对泵站渗流采取措施，降低主泵房下扬压力。 3.2 稳定控制 由以上渗透稳定分析可知，泵站渗透稳定控制措施必须解决两个问题，一是保证泵站前池和进水池的抗浮稳定，二是降低主泵房基底扬压力，保证主泵房抗滑稳定。主泵房座落在砂基上，根据砂土上水工建筑物设计经验，考虑采取以下控制措施来保证主泵房的渗透稳定。 1) 为满足进水池、前池的抗浮稳定，在主泵房站下渗流出口处即 ( 前池、进水池底板上设排水孔、下设反滤层，构成上下连通，排水孔孔径0.1 m，间距1.5 m，梅花型布置。同时，在前池、进水池底板下设减压井，孔径0.30 m，间距8.0 m，正方形布置，井底高程为18.00 m，伸入第3含水层(承压含水层)。 (2) 为降低主泵房底板下扬压力，在泵站上游设置长20 m的钢筋混凝土铺盖，在主泵房底板下设钢筋混凝土地下连续墙，站上及两侧三面围封截渗。设计地下连续墙厚0.4 m，墙深15 m。 4 渗透稳定的数值计算与优化 4.1 三维数值计算 根据非稳定渗流场有限单元法基本理论，对八里湾泵站渗流场建立三维渗流数学模型进行计算。根据场区地形地貌、地层分布及泵站布局，计 算模型选取长840 m、宽548.6 m、深97.3 m的长方体计算域。长度方向以泵站中心线为轴线，宽度方向从站下的进水渠到站上的出水渠，深度取从地表向下到-50 m高程。本次计算选取站上和站下水位差最大的设计防洪工况，站上为东平湖设计防洪水位44.8 m，站下为柳长河水位35.8 m。底面边界为黏土质隔水边界，地表为可能溢出面。站上垂直面为定水头边界，并处处等于站上水位44.8 m;站下垂直面也为定水头边界，进水渠底板高程以上至模型顶处处等于站下水位35.8 m，减压井底面高程以下至模型底面边界为承压水水位44.8 m，减压井底面高程以上至进水渠底板高程以下之间水位由44.8 m按直线递减变化至35.8 m。泵站场区承压水主要受站上东平湖水位补给，故本计算域取承压水水位等于站上水位44.8 m。对以上所形成的计算域进行有限元网格剖分，以8节点六面体空间等参元为主。上下游向(站上称为上游，站下称为下游)为纵向，取该向与y轴平行，垂直上下游向为横向，该向与x轴平行，z轴垂直于xoy平面，z轴坐标的原点位于工程零高程面。场区单元网格剖分具体见图1，泵站中心线纵向剖面网格剖分见图2。 4.2 稳定控制措施优化 由以上计算结果看，满足了工程渗透稳定要求。然而理论计算中的假定条件是:地连墙伸入相对不透水层的深度不小于2 m，且减压井、排水孔和水平排水管都处于 畅通状态。但是由于地质钻孔不连续性，不可能精确地反映出地连墙位置处地层高程分布，且存在地下水渗流、槽孔变形和塌方等对地连墙施工的影响问题，以及减压井及冒水孔容易堵塞、水平排水管在主泵房高应 力作用下容易破坏等都会影响渗透稳定控制措施的效果[14-15]。为解决这些问题，设计对渗控方案进行了如下优化。 (1) 地连墙厚度加厚至0.45 m，深度加深至17 m，保证地连墙伸入第(9)层重粉质壤土相对不透水土层下不小于2 m。 (2) 减压井间距调整为7.5 m，冒水孔间距调整为1 m。 (3) 将主泵房下部水平排水软管取消，换填0.4 m厚的中粗砂垫层。 5 结论与建议 本文采用三维渗流数学模型分析计算了八里湾泵站渗流场问题，得出如下结论。 (1) 三维渗流数学模型能够较为准确、全面地反映场区的渗流特性。 (2) 设计采用的渗控措施是合理、安全、经济的。地连墙起到较大的防渗作用，承担了主要的水头损失，约占总水头损失的33%，有效降低了主泵房底板下的扬压力。三面围封的地连墙再配合站下减压井及排水设施既解决了前池和进水池的抗浮稳定问题，又很好地解决了承压水问题，相比传统上四面围封的渗控措施，节省了工程投资。 (3) 主泵房底板下中粗砂垫层既能够起到导渗排水作用，也可作为反滤层来保护地基，防止地基细砂土层中的细颗粒被渗流带走，同时，还起到了水泥粉煤灰碎石桩复合地基褥垫层的作用，使得荷载传递均匀。 建议在工程施工时，地连墙质量必须严格保证，可以采取施工降水、外围围封等措施减小地下水渗流以及槽孔变形和塌方对墙体施工质量的影响，避免墙体出现施工“天窗”等现象。同时要确保泵站下游减压井和冒水孔能够保持永久畅通性。而在工程运行时，应加强对泵站底板下部、 地连墙的上下游两侧、地连墙底端部、前池和进水池减压井等关键部位的 水头观测，并及时评估，为以后工程设计积累原始资料和经验。 参考文献(References): [1] 李相然，赵春富，张绍河.地下与基础工程防渗加固技术[M].北 京:中国建筑工业出版社，2005.(LI Xiang-ran，ZHAO Chun-fu，ZHANG Shao-he.Underground Seepage Reinforcement Techniques and Foundation Engineering[M].Beijing:China Architecture and Building Press，2005.(in Chinese)) [2] 丛蔼森.多层地基深基坑的渗流稳定问题探讨[J].岩石力学与工 程学报，2009，28(10):2018-2023.(CONG Ai-sen.Discussion on Several Issues of Seepage Stability of Deepfoundation Pit in Multilayered Formation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2009，28(10):2018-2023.(in Chinese)) [3] 丘传忻.泵站[M].北京:中国水利水电出版社，2004.(QIU Chuan-xin.Pumping Station[M].Beijing:China WaterPower Press，2004. 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