減壓井在長沙綜合樞紐庫區浸沒區處理中的應用研究

楊家亮

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 41007）

前言

湘江長沙綜合樞紐是湘江干流規劃9級梯級開發的最下游梯級，壩址位于湘江望城區的蔡家洲，控制流域面積90520km2。樞紐正常蓄水位29.7m，庫區干流長131km，水面139km2，為低壩日調節水庫。該工程是一個集航運、發電、供水、交通、生態等各種效益一體的綜合性工程，建成后對促進長株潭經濟一體化，提高城市品味，改善投資環境、改善濱水環境，營造高質量的沿江風光帶具有重大的意義。

長沙綜合樞紐兩岸庫區地面平坦，地形起伏不大，地面一般只高于正常蓄水位（1～5）m，部分防護區地面高程甚至低于正常蓄水位，水庫蓄水后，當地下水位上升壅高至地面或接近地面時有可能產生浸沒，影響了農作物的生長和建筑物的基礎，須進行防護處理。

1 浸沒范圍、成因與處理方案

1.1 浸沒范圍

長沙樞紐庫區范圍內的沖積階地多為二元結構，上部由粘性土組成，下部為砂礫石，二者滲透能力相差3～4個數量級，庫區浸沒范圍預測采用了“最小起始水力坡度法”推算壅高后地下水位線，按防漬標準判斷浸沒區范圍，少量二元結構不明顯的地區采用地下水壅高值法判斷。經分析長沙綜合樞紐庫區正常蓄水位29.7m時的浸沒范圍主要集中在17處，面積約1995.37hm2。

1.2 浸沒成因分析

根據浸沒范圍判定推測地下水位線，設計判斷垸內地下水位抬高形成浸沒的原因主要有三個方面：

（1）庫水入浸，抬高了地下水。這種類型可細分為兩小類：一類是汛期高洪水位時的階段入浸，影響范圍較大，這種情況的影響范圍基本與長沙樞紐建設與否無關，但與影響的時間有關，長沙樞紐建成后，浸沒影響消退的速度由于外河常年持續較高水位而大幅度減緩，甚至會常年不退，將原來短歷時浸沒變為階段性甚至常年浸沒；另一類是正常蓄水位的穩定入浸，這種工況下影響范圍主要集中在沿河一線，由于水頭不高，影響范圍不大；綜上所述，對于庫水入浸形成的浸沒處理應統籌考慮高洪水位和常年穩定水位浸沒的影響。

（2）垸內地下水排泄通道受阻，抬高了地下水：長沙樞紐建成后，地下水排泄出口基本上遭到封堵，由于庫區堤垸多為三面環山一面臨水，且靠山側集雨面積還較大，地下水位較高，由于排泄通道受阻，地下水位壅高造成浸沒。

（3）降雨入滲抬高地下水：這種類型也可細分為兩種類型：一類是堤垸的起排水位高于堤垸降漬要求的水位，若不處理，兩組水位之間的這部分澇水就滯蓄在垸內補給地下水，抬高地下水位；另一類是工程運行后垸內整體地下水位抬高，埋深變淺，降雨下滲排泄速率變緩，雖起排水位低但原有排漬體系滿足不了排漬時間的要求，造成地下水短暫雍高形成階段式浸沒。

1.3 浸沒處理方案

根據相關規范和國內浸沒區處理成功經驗，防治漬害根本應從降低地下水位入手，主要有兩種手段：一種是抬填浸沒區地面高程加大地下水與地面距離；一種是根據水文地質條件，布置降漬工程，通過防滲、導滲減壓、截滲、排浸與疏干等手段降低地下水位。浸沒區抬填是最為穩妥的辦法，效果好，不需要運行管理維護，但大面積抬填成本巨大；長沙樞紐庫區僅對很小部分區域采用了此方案，大部分推薦了降漬工程處理：對于垸內靠山側地下水排泄不暢引起的浸沒推薦采用截滲+溝渠疏導的方案；對于垸內降雨滯蓄引起的浸沒危害采用泵站控制內水位+溝渠疏導的方案；對于外河庫水入浸引起的危害采用堤基防滲或導滲減壓結合泵站排浸聯合處理方案。

考慮到湘江下游尾閭透水層較厚，堤基防滲若采用懸掛帷幕效果不佳，若截斷，不僅工程投資大，部分堤段施工也比較困難，更重要的是垸內地下水與庫水不能交換對生態環境影響較大，因此長沙樞紐在庫水入浸類型的處理過程中推薦采用了減壓井減壓導滲處理方案。

2 減壓井的工作原理與減壓排浸分析方法

2.1 工作原理

減壓井減壓排浸原理是：通過濾水管將來自庫區的滲透水流直接導入井內，在地下迅速降低壓力水頭，阻止水流繼續往下游流動擴大浸沒危害，以達到降低垸內地下水位和減少浸沒影響范圍的目的，防止漬害發生。

2.2 減壓井的減壓排浸分析方法

減壓井的減壓排浸分析可采用地下水有限元分析軟件模擬計算，其滲流計算的數學模型基本微分方程如下：

式中 h——總水頭；

hc——壓力水頭；

kr——相對透水率，在非飽和區0＜kr＜1，在飽和區kr=1；

C——比容水度，在正壓區C=0；

β——飽和—非飽和原則常數，在非飽和區等于0，在飽和區等于1；

Ss——彈性儲水率，在非飽和土體中Ss=0，當忽略土體骨架及水的壓縮性時對于飽和區也有Ss=0；

Q——匯源項。

數學模型基本微分方程定解的初始條件和邊界條件如下：

式中 ni——邊界面外法線方向余弦；

t0——初始時刻；

г1——水頭邊界；

г2——流量邊界；

г3——減壓井逸出邊界。

上述模型的方程與定解條件時域內是非線形的，現在國內外的相關院校運用成熟滲流有限元模擬軟件采用半離散的逐步積分數值法求解，對空間采用等參元離散，對時域用后差分離散，對減壓井井點逸出邊界條件奇異點不穩定問題進行修正，模擬精度較好。

3 減壓井設計

減壓井的設計主要是依據浸沒區的壓力水頭、排漬標準、垸內土層結構特性等通過減壓排浸分析方法確定合適的井類型、井深、井徑、井距、井列線，施工時按設計要求作好反濾層，充分發揮減壓井的作用，降低工程造價，提高工程使用壽命。

3.1 防漬標準

浸沒區防漬設計標準按保護對象設計排漬深度控制，區域內自身降雨的影響采用10年一遇的3日暴雨3天排至設計排漬深度確定，城區建筑物浸沒區設計排漬深度為（2.3～2.7）m，城郊及農村建筑物浸沒區設計排漬深度為（1.3～1.7）m，旱作物浸沒區設計排漬深度為（0.8～1.2）m，水稻浸沒區的設計排漬深度為（0.4～0.6）m。

3.2 減壓井類型

減壓井可分為淺井、深井兩類：淺井是挖穿不透水或相對隔水的覆蓋土層，把井底置于透水層上部的減壓井。深井是井孔深入大部或全部透水層的減壓井：當井孔部分深入透水層，稱不完整井；當井孔深入全部透水層，稱完整井。

3.3 減壓井井深、井距、井徑

井深、井徑、井距一般應通過試算初擬,并結合現有的施工器具、地質條件來選定。

（1）減壓井的深度。減壓井的深度主要取決于區域內的壓力水頭、排漬深度和堤基的地質條件，壓力水頭較小，排漬深度較淺，堤防基礎透水層厚度不大的區域可以選擇淺井；對于深厚透水層的地基或多層透水地基、或者壓力水頭大、亦或排漬深度較深一般采用深井效果較明顯。

（2）減壓井的井距。減壓井的井距應與井深（貫入度）一起考慮。不難理解,減壓井貫入強透水層的深度越大，沿堤軸線方向減壓井之間的間距越小，減壓井的效果會越好，但考慮施工方便和經濟的原則，工程上井距一般（10～50）m為宜，過大會使大量的滲透水流越過井系，影響減壓效果，過小投資不經濟且施工、洗井容易相互影響。

（3）減壓井的井徑。井管的直徑通常采用（20～60）cm。直徑太小，井內將產生較大的摩阻水頭損失，影響減壓效能；直徑太大則成本過高，一般淺井的半徑可取大值或稍大值。

3.4 井列線位置的確定

減壓井的井列線靠近堤腳（滲透坡降最大）的減壓效果較好，離堤腳過遠，則在井系軸線與堤腳之間仍存在較大的滲透壓力。

3.5 減壓井反濾層的設計

減壓井在實際運行中存在一個比較突出的問題即隨著運用期的推移，減壓井的透水管和過濾器會發生物理淤堵和化學淤堵，其排水減壓效果會因此而衰減。為延長壽命，一般在管理運行中會反復洗井，為了保證反濾層的均勻性即使反濾層在洗井時細粒能夠隨著浸水進入井內而自由沉降，也不至發生架空脫節現象，反濾層必須滿足：

（1）反濾料的不均勻系數n<5；

（2）反濾層的最小厚度：7.5D85≤T最小≥15cm；

其中，D85為反濾料土中過篩率為85%的粒徑，T為反濾層的厚度。

4 典型區設計

所選典型區位于湘江一級支流撈刀河左岸的一處堤垸，庫區回水位為29.76m，浸沒區平均地面高程為29.5m，按農田旱作防漬標準控制，臨界地下水位高程為28.5m，根據地勘與測量資料，浸沒區的粉質粘土厚度在（3～4）m，下部為（4～6）m的砂卵石層，在不考慮減壓井的前提下，外河10年一遇洪水位垸內地面的壓力水頭線在30.02m左右，為滿足防漬標準，需降低壓力水頭線1.52m，見圖1。

減壓井的井列線布置在堤腳線后10m處，為模擬減壓井的間距L、貫入強透水層的深度W及井徑R三個因素對降低地下水的作用，設計采用有限元分析軟件對5中組合方式的125種工況進行了模擬，尋找最優的設計方案，見附表和圖2。

根據模擬結果圖可以看出：

（1）減壓井的貫入度對排水降壓效果影響最顯著，其次是井距，井徑無顯著影響。

（2）減壓井的貫入度對排水降壓效果有一段明顯突變區域——淺井變為貫入度為20%深井處，當貫入度為20%～70%時，排水降壓基本呈線性增加，超過70%，排水降壓效果提高不多。

圖1 堤防減壓井布置示意圖

附表 擬定因素及水平

圖2 各工況處理效果圖（井間壓力水頭降低值）

（3）合理經濟的減壓井布置方案應盡量取合適的貫入度及較大的井距，在便于施工、防淤及洗井的條件下，宜取較小的井徑。結合到工程實例，推薦采用30m井距和70%的貫入度，井徑考慮到太小深孔護壁較困難建議取30cm（方案L3+W4+R2）。

5 結 語

浸沒問題是長沙綜合樞紐工程的主要地質危害之一，本文以其為實例，對長沙樞紐庫區堤垸的浸沒成因進行了分類，提出了減壓井處理庫水浸沒區時應統籌考慮高洪水位和常年穩定水位對浸沒范圍和危害的影響，其布置要先根據浸沒區的壓力水頭、排漬標準、垸內地質土層結構特性等按減壓排浸分析計算初擬的井類型、井深、井徑、井距、井列線，然后結合工程造價與施工及運行期維護等綜合因素擬定。實際工程中有時為更好地控制區內地下水位，采取減壓井與導滲溝或部分段防滲灌漿等多管齊下的方案，此時減壓井的設計參數（貫入度、井距、井徑）取值不一定遵循本文的研究結論，筆者相信，隨著社會環境保護意識的不斷提高，在庫區浸沒處理中減壓井的運用將更加廣泛。

[1]毛昶熙.滲流計算分析與控制（第二版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

[2]戚筱俊.工程地質及水文地質（第二版）［M］.北京.中國水利水電出版社，1997.

[3]段祥寶，等.堤防工程手冊（第二版）［M］.北京.中國水利水電出版社，2009.

[4]曹洪，等，水平面滲流有限元計算中減壓井點處理［J］.水利學報，2003，（4）：15-18.

[5]祝曉彬.地下水模擬系統軟件［J］.水文地質工程，2003，（5）：53-55.