銅陵市郊區紅旗站砂基防滲排水設計

張芳芳

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

灌溉排水泵站作為國民經濟和社會發展的公益性基礎設施，是民生水利的重要組成部分。處于江河河口位置的排澇泵站，地基多為透水性較強的砂性土層，在滲透水流作用下，其中的細小顆粒易被帶走，甚至掏空，嚴重影響建筑物基礎安全。因此，在這類地基的工程設計中，應充分重視基礎防滲處理，根據站址地質條件和泵站揚程等因素，結合兩岸連接結構和進出水建筑物的布置，設置合理可靠的防滲排水系統。

目前，不少學者已對建筑物基礎滲流進行了不同深度的研究分析，獲得了豐富的研究成果。毛昶熙[1]研究了滲流機理，建立多種數學計算模型，并以實驗資料進行了驗證；邢莉[2]分析了排澇泵站地基滲透破壞的機理，結合泵站加固后運行情況，驗證了前池外圍封閉高壓擺噴防滲墻的作用；劉健等[3]以四川昭化水電站為例，采用有限單元法分析了不同尺寸防滲墻的處理效果及滲透坡降變化規律；李聰磊[4]根據工程實例，對比不同深度高壓擺噴墻在透水土基中處理前后的滲流穩定計算結果，論證了落底式防滲措施的可靠性和適用性；殷清明[5]以團洲泵站為例，提出了塑性混凝土防滲墻在砂卵石地層中成墻的難點及解決辦法。

然而，塑性混凝土防滲墻在大中型泵站強透水砂基防滲處理中的研究相對較少。文章將結合銅陵市郊區紅旗站，通過有限元計算軟件——Autobank對深厚透水砂基上的滲流特點、塑性混凝土的防滲效果進行分析，并提出合理的排水措施，進一步增強基底滲流安全。

1 工程概況

1.1 建設背景與規模

紅旗閘興建于1966年，地處陳瑤湖流域，經過多年運行，先后進行了數次加固，仍存在進出口渠道淤積、閘底滲流嚴重等安全隱患，工程排澇效率低，無法正常運行和發揮作用。為完善陳瑤湖流域的防洪排澇體系，減輕流域防洪壓力，在紅旗閘原址拆除新建銅陵市郊區紅旗站。擬建站址緊靠長江左岸樅陽大堤，內側為排澇干河。泵站工程任務以圩區排澇為主，兼顧陳瑤湖排洪，并保留相機引江灌溉功能。

紅旗站設計抽排流量為48.5m3/s，設計自排流量為15.7m3/s，設計自流灌溉為2.4m3/s，裝機5臺套，單機功率為1200kW，總裝機6000kW。泵站工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，泵房等主要建筑物級別為3級。泵站采用堤后式布置型式，順水流向自上而下依次為排澇引水渠、攔污檢修閘、前池、站身、壓力水箱、排澇出水涵及防洪閘、出水消力池等。

1.2 地質條件

泵站底板建基面高程為-1.25～5.10m(吳淞高程基準，下同)，根據地質勘探試驗結果，站址處建基面以下土層類型及主要參數見表1。

工程場地基本地震峰值加速度為0.1g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。根據土樣液化指數判別場地液化等級為輕微，③1層砂壤土為液化土，其他為不液化土[6]。

站基座落在②層淤泥質中粉質壤土、③1層砂壤土、③層細砂上，下臥層依次為④中砂、⑤砂礫石、⑥泥質砂巖。孔隙潛水主要賦存于②層淤泥質中粉質壤土，受地表水影響變化較大；承壓水則分布于③1層砂壤土、③層細砂上，下部為④層中砂、⑤層砂礫石中，與長江水聯系密切。根據表1，下臥中等透水性及強透水性砂層厚度為30～40m，深厚透水砂基勢必成為圩內水與外江水的聯系通道，在高水頭作用下將產生較強的滲透力，頂托建筑物底板，威脅站基安全穩定[2]。因此，對站基進行滲流穩定分析十分必要。

表1 紅旗站站址建基面以下土層分布及參數特性表

2 滲流分析及防滲布置

2.1 站基防滲長度

泵房基底防滲長度應滿足公式L=C·ΔH，式中L為站基防滲長度(m)，ΔH為上下游水位差(m)，C為允許滲徑系數。站基防滲長度計算結果見表2，設計防滲長度大于計算值，滿足要求。

表2 泵站基底防滲長度計算

2.2 站基滲流計算

研究泵站基礎滲流問題時，可假定地基是均勻、各向同性的，滲水不可壓縮，并符合達西定律[1]。站基滲流運動可用拉普拉斯方程表示：

(1)

式中，h—滲流在某點的計算水頭，m，為坐標的函數，稱之為水頭函數；x、y—位置坐標，m。

基于上述滲流方程，選取典型工況建立模型，采用二維滲流有限元分析軟件——Autobank對站基進行滲流穩定計算。為保證滲水安全排出，在前池底板水平段設置排水孔，即為滲流出口[7]。選取泵站實際運用中水頭最大作為計算工況，工況1：最高水位運行期，即長江側為最高運行水位17.10m，圩內側為設計運行水位7.70m，水位差9.40m；工況2：前池檢修期，即攔污檢修閘上游為設計運行水位7.70m，閘下(前池)無水，水位差7.25m。兩種工況下基底滲流出逸部位分別為前池臨站身側及臨攔污檢修閘側，出口所在土層為③層細砂土，通過土樣顆分曲線計算，該層不均勻系數Cu=2.0～4.3，依據GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》判斷其可能發生的滲透破壞類型主要為流土[6]。

站基滲流結果見表3，如圖1、圖2所示。根據表3數據，③細砂層、④中砂層及⑤砂礫石層地基透水性強，承壓水不斷從高水位一側得到補給，滲流水力梯度小。兩種工況下滲流出口段滲透坡降均遠超允許值，滲透力頂托建筑物底板，可能出現流土破壞，嚴重威脅站基安全[8]。

圖1 最高水位運行期天然地基滲流等勢線

表3 站基滲流穩定計算

2.3 防滲布置

為增強站基滲流穩定，應采取適當的防滲處理措施。針對透水層較厚的水利工程，垂直截滲措施可延長滲徑，降低出逸滲透坡降，效果較好。根據墻體是否深入不透水層，可分為懸掛式防滲墻與落底式防滲墻。對于深厚透水砂層，懸掛式防滲墻在一定程度上能降低出逸坡降，但不顯著，難以達到設計要求，因此擬定設置落底式防滲墻[4]。其常用的處理方式主要有樁柱型(攪拌樁、高壓噴射灌漿等)、地下連續墻(機械開槽灌注混凝土或黏土成墻)等[9]。攪拌樁樁長受施工工藝限制，無法滿足要求；高壓噴射灌漿效果易受砂土顆粒不均勻程度等土質條件影響，對孔斜率要求高。而塑性混凝土具有抗滲性能佳、可靠性高，低彈膜、與周圍土體變形協調性能強，且施工簡單等優點，被廣泛應用于堤壩、站閘、圍堰等各種水利工程地基防滲[10]。結合工程場地防震抗液化，選定前池設置塑性混凝土防滲圍封墻處理方案，墻底深入砂巖層[9]。具體布置如下：

沿前池外圍塑性混凝土防滲圍封墻，墻體進水側起于進水閘底板末端齒槽，出水側止于站身底板首端齒槽，側向沿前池翼墻前墻基礎外緣，構成圍封體系。墻體深入⑥泥質砂巖層不小于1m，平均深度為36m，總長度約為170m。根據抗滲及耐久性要求，并結合同一流域類似排澇泵站工程經驗，確定防滲墻厚度為0.6m。

另外，為改善站基接觸面滲流條件，將進水渠、攔污檢修閘、站身建基面以下薄層③1砂壤土層挖除后置換為水泥土，水泥摻量10%，換填深度為1.0～1.8m。防滲墻頂部應伸入上述換填水泥土內0.7m，并覆HDPE土工膜，具體連接方式參如圖3所示。

圖3 防滲墻頂部連接示意圖

2.4 塑性混凝土防滲墻工藝參數及截滲效果

塑性混凝土防滲墻墻體施工工序包括造孔成槽、清孔驗收、水下混凝土澆筑等，操作簡單、易實施[11]。紅旗站防滲墻工程主要采取液壓抓斗成槽，膨潤土泥漿護壁等工藝[12]。其中，膨潤土泥漿密度不大于1.15g/m3，馬氏漏斗黏度為32～50s，含砂量不大于6%。墻體材料主要性能指標：水泥強度等級P.O42.5，水泥用量大于80kg/m3，膨潤土量大于40kg/m3，水泥與膨潤土的合計用量大于160kg/m3，膠凝材料總量大于240kg/m3，砂率不小于45%。圍封墻段分段連接采用接頭管法施工，澆筑形成的墻體應均勻、連續，不應有混漿、夾泥、孔洞等[5]。墻體28d抗壓強度為1.0～5.0MPa，28d靜壓彈模為600～1000MPa，滲透系數K

對防滲加固后的站基建立模型進行滲流穩定分析，安全起見，防滲墻滲透系數取1.0×10-6cm/s。依據防滲加固后的滲流等勢線(圖4、圖5)，前池外圍設置防滲墻使得滲流垂直向滲徑得到明顯延長，墻底深入⑥泥質砂巖層，滲流水頭在墻底處驟降，滲流通道基本被截斷[14]，滲流出口水力坡降<0.01，截滲效果顯著。因此，塑性混凝土防滲墻處理措施是行之有效、安全可靠的。

圖4 最高水位運行期防滲加固后站基滲流等勢線

圖5 前池檢修期防滲處理后站基滲流等勢線

3 站基排水設計

通過以上防滲墻措施對站基進行加固后，滲流出口段水力坡降已滿足設計要求。為進一步保證泵站運行期基底滲水順暢導出，設置以下措施[15]：

(1)前池平底段33.75m長范圍內布置DN100排水孔，孔距為1.5m，平面呈梅花形；并在相應位置設置反濾層，自下而上分別為0.3m厚中粗砂、0.25m厚瓜子片、0.25m厚碎石，反濾層下覆土工布，以防地基土細顆粒被滲水帶走[16]。

(2)前池內布置24口φ500排水砂井淺井(梅花形)，井底深入砂層5m，以便將砂層承壓水充分導出。砂井頂部高出底板頂面高程0.3m，安置活動板，防止井口淤堵，便于檢修。另外，結合施工期基坑降水，在前池布設排水深井[17]。

(3)前池兩岸翼墻底板以上1.5m處設置排水孔，豎向間距為2m，可布設多層，水平向間距亦為2m，總體呈梅花形布置，以降低運行期墻后水位，削減側向繞滲。排水孔后統一設置反濾料。

4 結語

(1)砂土地基上的建筑物底板易發生滲透破壞，應結合工程特點、地質條件、上下游水位差，并考慮施工條件等因素，綜合分析選定適當的防滲處理方式。

(2)目前，紅旗站防滲墻墻體工程已實施完畢，成功通過了深基坑滲水的考驗，初步驗證了前池設置塑性混凝土防滲圍封墻、滲流出口設置反濾等防滲排水措施的有效性[18]。以上措施將為排澇、排洪泵站，水閘等工程中透水地基的防滲排水、基坑降水及抗液化等問題提供重要的借鑒意義。

(3)文章主要采用有限單元法對站基進行滲流穩定分析設計，后期項目完工投入運用后，應收集各工況前池滲流坡降等資料，進一步佐證設計措施的可靠性。