某泵站滲透破壞原因分析及處理措施

王 超

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,合肥 230088)

1 概述

國民經濟的迅速崛起推動了水利事業的不斷發展，泵站工程作為水利工程的重要組成部分，具有明顯的經濟效益、社會效益。泵站工程的地基防滲是一項重要內容，泵站因地基防滲問題而發生破壞時有發生，尤其是地基下面有透水砂基的泵站，因處理不當導致的滲透破壞更是屢見不鮮[1-2]：曾臺孜泵站底板直接坐落在細砂層地基上且砂層與淮河主河槽相通，自建成以來多次發生滲透破壞[3]；新河口泵站地基為典型的雙層地基，表層粘性土覆蓋層的透水性遠小于下臥砂層，每年汛期前池底板都會發生管涌冒砂[4]；養賢排澇站站基底部砂層上的覆蓋層較薄，在承壓水作用下被頂穿，導致前池發生滲透破壞[5]?？梢姷鼗罎B處理的好壞直接影響泵站的工程質量和壽命，影響著泵站效益的發揮。本文對某泵站滲透破壞產生的原因進行分析，同時給出相應的處理方案，可為以后類似工程的設計、施工及運行管理提供參考。

2 工程概況及存在問題

某泵站位于安徽省裕溪河流域，其主要任務為抽排圩區洪水，同時具有自排功能，設計抽排流量為14.2 m3/s，自排流量為13.9 m3/s。工程總體布置為：泵站軸線與堤防垂直，自圩內至外河依次布置排澇引水渠、攔污檢修閘、前池、泵房、壓力水箱、控制段及穿堤箱涵等。泵站平面及縱剖面示意見圖1。

圖1 泵站平面及縱剖面示意

攔污檢修閘為排澇引水、攔污、泵站檢修的控制建筑物，位于泵站前池進口端，共3孔，單孔凈寬為3.0 m。進水閘底坎高程為4.0 m，檢修平臺高程為8.8 m，進水閘檢修閘門正常情況下吊在最高排澇水位(7.5 m)以上，水泵機組檢修期，閘門靜水條件下關閉，排干前池，檢修水泵。排澇開機前，平水啟門。門體擋水高度考慮0.5 m超高，高度為3.0 m。設計檢修水位為前池無水，圩內水位為設計排澇水位為6.5 m。前池共分為3段，第1段為水平段，底板頂高程為4.0 m，第2段為傾斜段，底板頂高程由4.0 m過渡到2.66 m；第3段也為水平段，頂板高程為2.66 m。

2017年汛后檢修時，在上游水位超過設計檢修水位且前池排空時，發現前池4.0 m高程水平段與漸變段分縫處有多處冒水翻砂現象(見圖2)。由于發現處理及時，滲透破壞沒有進一步加劇，閘門、翼墻等也未發生傾斜或斷裂險情。

圖2 泵站前池滲透破壞示意

3 工程地質條件

根據地質報告，泵站基礎基本坐落于③層砂壤土中；下臥層砂壤土、層淤泥質重粉質壤土、層砂壤土。③層砂壤土層厚度大，承載能力較高，是理想的地基持力層。但該層為中等透水地層，易發生滲透破壞。工程區典型地質剖面示意見圖3，閘址處建基面以下地層地質參數見表1。

圖3 泵站地質縱剖面示意

表1 閘址處建基面以下地層分布及主要參數

4 滲透破壞原因分析

4.1 原因分析

經現場檢查，初步分析滲透破壞產生的主要原因有以下幾點：① 工程運行過程中，運行管理單位為抬高進水渠灌溉水位，擅自將攔污檢修閘閘門加高約0.8 m，改變工程檢修運用條件，導致進水閘上游水位超過設計檢修水位1.3 m，上下游水位差超過設計要求；② 原設計在前池兩段水平段處均設置了反濾排水設施，現場實際檢查發現，滲漏處反濾排水孔已經淤塞封堵；③ 前池4.0 m高程水平段與傾斜段之間的分縫處未按照設計要求設置止水橡皮，閘基土體細顆粒在該分縫處被帶出，形成滲漏通道。

4.2 計算復核

為進一步查明前池發生滲透破壞的原因，對閘門加高前后地基滲透穩定進行計算分析。

根據二維穩定滲流場有限單元法基本理論[6-7]，建立滲流計算有限元模型，計算工況見表2;滲流計算結果見圖4～圖6，結果統計見表3。

表3 加固前后出逸滲透坡降、滲流量計算結果

圖6 工況3進水閘及前池地基滲流位勢等值線示意(單位：m)

表2 地基滲透穩定計算工況 m

圖4 工況1進水閘及前池地基滲流位勢等值線示意(單位：m)

圖5 工況2進水閘及前池地基滲流位勢等值線示意(單位：m)

由圖4～圖6及表3可知，原設計檢修工況下，逸出點水頭等值線變化較慢，滲透坡降較小，未超過原土層的允許滲透坡降；實際檢修水位+排水孔正常工況下，逸出點水頭等直線變化加快，單寬滲流量有所增加，2處出逸點滲透坡降均有所增加，但尚未超過設有反濾層后的土層允許坡降[8]；在實際檢修水位+排水孔堵塞工況下，可以看出逸出點水頭等值線變化進一步加快，滲流量因排水孔堵塞而減小，2處出逸點處的滲透坡降均已超過設有反濾層后的允許滲透坡降。

滲透破壞發生在前池4.0 m高程水平段與傾斜段之間的分縫處，此處未設置反濾排水體，也未按照設計要求設置橡膠止水帶，該處發生滲透破壞與滲流計算結果相吻合。

5 處理方案及效果分析

5.1 處理方案

根據滲透破壞產生的原因，首先應拆除攔污檢修閘閘門上擅自加高的擋水鋼板，恢復閘門原設計結構，泵站檢修水位維持原設計水位。按照“上堵下疏”的基本原則[9]對進水閘及前池進行加固處理，加固處理的主要內容有：滲漏點封堵、上下游段壓密注漿、上游側高壓擺噴防滲墻以及上下游鋪蓋和護坦拆除重建、排水孔清淤。

滲漏點封堵：閘前入滲點處土體挖除再回填粘土，回填深度不小于1 m；閘后出逸點挖除再回填砂礫反濾料，具體范圍及深度視現場情況確定。

壓密注漿：對閘前鋪蓋及閘底板下的滲漏通道進行壓密注漿處理，主要在滲漏通道位置分別集中注漿，注漿量以填實滲漏通道為標準。壓密注漿采用純壓式全孔1次灌注，各排按鉆孔順序分序進行壓注。壓密注漿前應進行現場試驗，確定注漿壓力等參數，注漿時避免影響建筑物結構安全。

高壓擺噴防滲墻：防滲墻軸線垂直于水流方向沿護坦前沿布置，墻體頂部與護坦緊密結合，底部深入相對不透水層淤泥質重粉質壤土不小于2.0 m。為防止側向繞滲，墻體向兩岸各延伸不小于5.0 m。根據類似工程經驗，擬定高壓擺噴防滲墻采用三管法分兩序施工，高壓噴射灌漿正式施工前，選擇有代表性的地層進行高壓噴射灌漿現場試驗。試驗宜采用單孔和不同孔距的群孔進行，以確定高壓噴射灌漿的方法及其適用性，確定噴射范圍、施工參數、漿液性能要求、孔距、墻體防滲性能等[10]。

5.2 處理效果分析

為分析處理方案的加固效果，對加固后的地基滲透穩定進行有限元計算。本處理方案垂直防滲采用高壓擺噴防滲墻，根據文獻[11-12]試驗結果，在相近的漿液配比、壓力參數等條件下，墻體滲透系數基本為(1.0～6.0)×10-9m/s，結合本地區類似工程經驗[13]，本次計算高壓擺噴防滲墻滲透系數取2.0×10-9m/s，其余土層滲透系數見表1,滲流計算結果見圖7，計算結果統計見表3。

圖7 工況4進水閘及前池地基滲流位勢等值線示意(單位：m)

根據圖7及表3可知：高壓擺噴防滲墻基本能夠阻斷圩內引水渠與前池的水力聯系，能夠有效延長滲透路徑，使得前池逸出點的滲透坡降大幅度降低，有效控制閘基滲流。

該泵站防滲加固處理后，經過多年運行考驗，狀態良好，防滲處理達到了預期效果。

6 結語

由于該泵站滲透破壞發現及時，處理得當，未再出現過類似險情。通過分析此泵站產生滲透破壞的原因及處理效果可知：① 泵站尤其是存在滲流安全隱患的泵站，在實際運行中，運行管理單位應嚴格按照設計要求運行管理，不能隨意改變設計水位運用條件，以保證泵站的安全運行；② 泵站施工時應嚴格把控施工質量，嚴格按照設計要求設置止水及反濾措施；在出現缺項、漏項不滿足設計要求時，應及時采取補救措施；③ 泵站日常運行維護應重視對前池排水孔的清淤，防止排水孔堵塞導致滲水無法排出，引起滲透破壞；④ 高壓擺噴防滲墻在透水砂基泵站防滲處理中效果顯著，作為站基滲流控制措施安全可靠。