懸掛式截滲墻在深厚透水地層基坑中的應(yīng)用

胡星名

（安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程概況

鳳凰頸引江樞紐位于安徽省境內(nèi)長江左岸無為市劉渡鎮(zhèn)，緊靠長江無為大堤堤后，是引江濟淮工程西兆線引江線路上的引江口門，設(shè)計排澇流量240m3/s，引江流量150m3/s，工程規(guī)模為大（Ⅰ）型。原設(shè)計對現(xiàn)有鳳凰頸排灌站進行更新改造，利用現(xiàn)有泵站土建及流道，將原有機電設(shè)備進行更換，后來結(jié)合歷年機組故障情況，經(jīng)CFD 分析和物理模型試驗等進一步研究，認為因現(xiàn)狀排澇站土建結(jié)構(gòu)的限制，僅改造機組的方案難以滿足泵站長時間運行要求，因此變更設(shè)計方案為在現(xiàn)狀排澇站的前池內(nèi)新建泵房，安裝6 臺3300ZLQ-75 立式軸流泵，配套電機型號為TL3000-52/4250，單機功率為3000kW，總裝機容量為18000kW。改造老泵房作為長江側(cè)防洪閘及進出水流道，另外在老站攔污閘前新建攔污檢修閘，老攔污閘只保留交通橋功能。

2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)位于長江左岸，以河湖相沖積平原為主，工程范圍內(nèi)地形起伏不大。鳳凰頸站及控制樓處地面高程10.0～11.0m，無為大堤堤頂高程15.3～16.8m。基坑最低開挖高程為-9.37m 左右，最大開挖深度達20m。開挖深度范圍內(nèi)地層分別為人工填土層、②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、②1層重粉質(zhì)壤土、②3層淤泥質(zhì)中、重粉質(zhì)壤土與粉細砂互層、③層細砂。基礎(chǔ)坐落在③層細砂上，該層已揭露最大層厚27.30m，最深層底高程-32.63m。往下是⑤2層中細砂夾礫石、⑥1層粉土質(zhì)卵礫石及⑧2層強風化砂巖，其中⑧2層強風化砂巖埋置較深，鉆孔揭露最低層底高程-51.74m。各土層力學指標及滲透系數(shù)值見表1。

表1 各土層力學指標建議值表

工程區(qū)地下水類型為松散類孔隙水，按照含水層特征可劃分為孔隙潛水和孔隙承壓水。淺層孔隙承壓水主要賦存于相對隔水層下部的②4層、③層及以透鏡體形式分布的②2層土中，深層承壓水主要賦存于⑤2層中細砂夾礫石層中。根據(jù)水位觀測，工程區(qū)潛水含水層水位高程9.16～9.25m，淺層承壓水水位平均值6.98m，深層承壓水水位平均值6.93m。從附近長江河床深泓線標高與工程區(qū)承壓含水層頂板標高對比分析看，長江河床已切穿了承壓含水層頂板，基坑承壓水與外河長江水力聯(lián)系密切。根據(jù)地下水位觀察長江水位每上升1m，約2～3 天后堤內(nèi)承壓水頭上升約0.5～0.6m。枯水期江河水位降低，潛水則向河道方向運移排入江河中或向下伏承壓含水層越流補給，承壓水向長江補給，并隨長江水位漲落而同向升降；洪水期，江河水位抬高，地下水向遠離江河方向的圩區(qū)運移，承壓水接收長江補給，并越流補給潛水。

3 基坑截滲及降水布置

3.1 截滲墻布置

站身基坑開挖底高程為-8.37m，安裝間基坑開挖底高程為-9.37m，均坐落在③層細砂層上，為中等透水層，且與外側(cè)聯(lián)系緊密。老站在長江側(cè)和西河側(cè)兩側(cè)斜坡段各設(shè)置了一排排水砂井，每排9 口，砂井直徑1m，深入③層細砂層，這可能會加大新泵站基坑與長江側(cè)的水力聯(lián)系，加上老站站身為灌注樁基礎(chǔ)，多年的運行，可能會發(fā)生底板和基礎(chǔ)砂層脫空的現(xiàn)象。根據(jù)老站多年來的運行管理資料顯示，近年來老站西河側(cè)前池水位降至1m 高程左右時，前池內(nèi)會發(fā)生冒砂現(xiàn)象。鑒于老站薄弱的防滲體系和該處較差的地質(zhì)條件，為防止基坑開挖后，在外側(cè)高水位情況下基坑發(fā)生滲流破壞，設(shè)計結(jié)合永久防滲在基坑四周設(shè)置截滲墻。

截滲墻軸線長約525.5m，根據(jù)地層情況，基坑順水流方向的左右兩側(cè)截滲墻頂高為3m，由于西河側(cè)段現(xiàn)狀河底高程為2m 左右，該段截滲墻頂高程定為1m。南側(cè)的截滲墻位于老站的前池內(nèi)，老站前池目前底高程為-5m，改造成壓力箱涵后建基面高程為-9m，該段截滲墻結(jié)合永久防滲墻布置，截滲墻和壓力水箱底板采用剛性連接，截滲墻平面布置見圖1。

截滲墻采用60cm 厚混凝土截滲墻結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)和西河側(cè)截滲墻為C25 素混凝土結(jié)構(gòu)，老站前池段截滲墻因結(jié)合永久防滲墻，為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2 降水井布置

該工程工期緊張，按照節(jié)點工期控制要求，汛后開工建設(shè)后，在截滲墻未封閉前就需要進行控制性降水，以便施工泵房和安裝間的基礎(chǔ)處理工程，因此前期的基坑涌水量會比較大，共布置46 口深井，分兩級布置，外圍布置27 口深井，井間距12～20m，井底高程為-25m；基坑底部在主泵房的兩側(cè)布置兩排降水井，每排5 口，井間距15m，排距布置10 口降水井，井底高程-30m。為便于截滲墻封閉后，老站前池段截滲墻和老泵房之間的壓力箱涵的底板施工，在截滲墻外側(cè)布置9 口降水井，井間距15～20m，井底高程-30m。

基坑截滲墻和降水井布置見圖1。

圖1 基坑截滲墻和降水井布置圖

4 分析計算

由于基坑下部相對不透水層⑧2層強風化砂巖埋置較深，若入⑧2層則截滲墻最大深度近70m，施工難度大且投資較高，因此不考慮采用落底式截滲墻。本文分別對無截滲墻+降水和懸掛式截滲墻（墻底高程分別為-20m、-30m 和-42m）+降水四種方案進行分析。工程施工導流標準為10年一遇，選取10—4月導流設(shè)計水位，長江側(cè)為9.72m，西河側(cè)為8.43m，基坑開挖至-9.37m 為最不利工況。

4.1 滲流模擬分析

按照穩(wěn)定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維滲流場來計算，其水頭勢函數(shù)滿足以下微分方程：

4.2 基坑涌水量計算

4.2.1 無截滲墻基坑涌水量計算

承壓含水層的降水井影響半徑根據(jù)下式計算：

式中：R 為影響半徑（m）；Sw為降深（m）；K為滲透系數(shù)（m/d）。

基坑按照承壓非完整井，半無限承壓含水層，初始水位取7.0m，初期基坑水位降至-10m 左右，則影響半徑大約為274m，基坑總出水量按照承壓非完整井計算公式如下：

式中：Q 為基坑總出水量，m3/d；k 為細砂層滲透系數(shù)，m/d；M 為含水層厚度，m；S 為降深，m；R 為群井抽水影響半徑，m；r0為基坑計算半徑，m。計算得出初期基坑總出水量為9186m3/d。

4.2.2 不同深度截滲墻基坑涌水量計算

由于設(shè)置了懸掛式截滲墻，將會改變基坑截滲墻內(nèi)外的地下水的滲流路徑，地下水將會從垂直和水平兩個方向往基坑內(nèi)滲流，根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗公式，懸掛式截滲墻內(nèi)的基坑涌水量按照如下公式計算：

式中：M 為承壓水含水層厚度，m；MR為剩余含水層厚度，m；H 為抽水前含水層厚度，m；hD為截滲墻內(nèi)側(cè)基坑的水位，m；D 為截滲墻厚度，m。根據(jù)計算，截滲墻底高程為-20m、-30m 和-42m 三個深度的截滲墻方案的基坑涌水量分別為8657m3/s，7828m3/s，3463m3/s。不同截滲墻深度條件下基坑涌水量和滲透坡降值見表2。

表2 不用截滲墻深度條件下的基坑涌水量和滲透坡降表

根據(jù)以上分析，不設(shè)截滲墻或截滲墻底高程為-20m和-30m三種方案的滲透穩(wěn)定均不滿足要求，當截滲墻底高程為-42m 時，截滲墻剛好穿過③和⑤2兩層相對較強透水層，進入⑥1粉土質(zhì)卵礫石，滲透坡降滿足要求，且基坑涌水量明顯減少，因此設(shè)計采用截滲墻底高程為-42m 的方案。

5 結(jié)語

（1）懸掛式截滲墻能減小基坑內(nèi)的滲流場水頭，對減小基坑出溢點滲透坡降效果明顯。

（2）考慮到減小截滲墻的施工難度和綜合費用，在確保安全的前提下，應(yīng)統(tǒng)籌考慮截滲墻內(nèi)外側(cè)水位差、透水層的厚度和滲透性等因素，優(yōu)化設(shè)計截滲墻的深度。

（3）懸掛式截滲墻需要降水井配合來控制基坑內(nèi)的地下水位，為確保基坑安全，建議降水井設(shè)雙回路電源，同時配備應(yīng)急發(fā)電機■