引江濟淮工程鳳凰頸泵站基坑滲流參數測定及滲控方案優化

摘 要：閘站基坑開挖過程中的降水問題重要且復雜。以引江濟淮工程鳳凰頸改造工程為研究對象，采用現場試驗和數值模擬方法，系統分析了基坑降水過程中的滲流問題?；诂F場抽水試驗數據獲取基坑主要含水層水文地質參數，構建了工程區三維滲流模型，對施工期防滲墻封閉前后兩個階段的基坑降水方案開展優化研究，確定了防滲墻和降水井的布置形式。結果表明：工程區主要含水層滲透系數為1.5×10-2 cm/s，防滲墻封閉前的純降水階段基坑涌水量為14 532 m3/d；防滲墻封閉后的墻+井滲控階段基坑涌水量為9 299 m3/d，主要來自墻外降水。解析解和三維滲流模型計算結果相互驗證，表明計算結果可信度較高。本研究可為閘站基坑降水方案的優化提供思路和范例。

關鍵詞：引江濟淮工程；抽水試驗；滲流控制；數值模型

中圖分類號：TV223.4 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

引江濟淮工程從長江下游引水，向皖豫兩省淮河中游地區補水，其中，西兆河引江線路自鳳凰頸泵站經西河、兆河入巢湖。為滿足引江能力要求，需對鳳凰頸泵站進行機組更新改造和土建結構擴建。改造工程將對原泵站前池底板進行拆除，并開挖深度近20 m的基坑，開挖過程中將揭露地基下由砂、礫、卵石層構成的強透水層，滲流控制難度較大，保障施工期基坑安全和防洪安全是工程實施前需要研究解決的重要技術難題。

已有研究對于各類基坑降水方案分析較多。丁金華等[1]對興隆水利樞紐深基坑開挖過程中的降水過程開展了三維穩定流及非穩定流的計算分析。倪才勝[2]對廣東省惠州市劍潭水利樞紐廠房基坑開挖過程中基坑滲流進行研究，分析了穩定滲流時的浸潤面和基坑滲水量，并對由滲流引起的開挖邊坡穩定性問題進行了探討。吳夢喜等[3]提出了大壩施工與運行全過程中滲流與變形耦合的有限元仿真方法，并將其應用于金沙江某閘壩的地基處理中。王婷婷[4]以天津濱海新區欣嘉園配套工程為例，構建地下水三維滲流-沉降耦合模型，預判施工降排水造成的地下水位動態變化和地面沉降量。劉凌暉等[5]采用有限差分法分析了半封閉基坑的降水滲流特征，并對地層滲透性帷幕嵌入深度、含水層厚度、降水井濾管長度與帷幕阻隔效應的耦合關系進行了系統分析。鄭剛等[6]以天津地鐵5號線某車站基坑工程為背景，通過對預降水試驗進行數據分析，給出了在復雜地層中基坑降水引發的地面控制對策。高旭等[7]以武漢長江航運中心深基坑為實例，概化其水文地質模型，以現場抽水試驗數據分析止水帷幕的止水效果，提出了止水帷幕條件下的深基坑降水預測的解析算法。

相較于一般的市政和建筑基坑，閘站基坑位于河道之上，下伏地質條件復雜，加之周邊地下水補給量大，基坑滲流控制難度普遍較大。在保障滲流安全的前提下，提出可行性高、經濟性好的滲流控制方案，是當前及未來閘站基坑建設中的一大難點。本文在已有研究及前期工作的基礎上[8]，以鳳凰頸泵站改造工程為背景，采用現場抽水試驗方法完成了工程區主要水文地質參數的測定，率定三維滲流模型，確保模型結果能夠反映工程實際情況。同時，基于三維滲流計算開展基坑滲流控制方案研究，優化地基截滲和基坑降排水措施，確定基坑防滲墻封閉前后兩個階段的降水井數目及位置分布，以保障工程安全。研究結果可為今后的閘站基坑降排水設計提供參考。

1 工程概況及水文地質條件

鳳凰頸泵站位于安徽省蕪湖市無為縣劉渡鎮，鳳凰頸泵站改造工程是安徽省引江濟淮的龍頭工程。該工程改造原排灌站泵房以重建泵站的進、出水通道及防洪閘，承擔長江側防洪和施工期擋水任務。工程將對原泵站前池底板進行拆除，開挖深度近20 m基坑，建設新泵站壓力水箱、泵房和前池。為保障干地施工，基坑工程的降水任務共分為兩個階段：第一階段在枯水期實施，為防滲墻封閉前的純降水階段，僅依靠降水井將主基坑范圍內的地下水位控制在-6.0 m以下，以保障前池底板拆除工作的干地施工條件；第二階段為防滲墻封閉后的墻+井滲控階段，采用防滲墻+降水井的方式將基坑范圍內全年的地下水位控制在-10.0 m以下，將老泵房底部的地下水位降至-7.0 m以下，保障壓力箱涵和泵房等的建設。

工程區位于長江左岸，以河湖相沖積平原為主，主要地層分布見圖1。根據勘探資料和室內試驗結果資料分析，各土層主要參數取值見表1。工程區地下水主要為孔隙承壓水，水頭受江河水位影響。地下水主要賦存于相對隔水層下部的②4層粉細砂、③層細砂和⑤2層中細砂夾礫石中。

2 基于現場抽水試驗的工程區滲透系數測定

基于抽水試驗數據計算工程區主要含水層的滲透系數，用于率定三維滲流模型參數，為基坑降水方案的優化布置提供依據。由于在降水過程中無法細分某一地層，因此將②4層粉細砂、③層細砂和⑤2層中細砂夾礫石均概化為工程區主含水層。

抽水試驗井共布置9口（其中抽水井兼觀測井3口，觀測井6口）。9口井沿基坑開挖線的一側布置，井列軸線與無為大堤大致垂直，各井間的位置關系見圖2。抽水井編號為2#、5#、8#（兼做觀測井），井深為40 m（井底高程-30 m）。其余6口為觀測井，井深為25 m（井底高程-15 m）。

第一組單孔抽水試驗以2#井為抽水孔進行穩定流抽水，其余為觀測孔。試驗采取三級降深，降深從小到大進行，每級降深穩定持續時間約6 h。抽水試驗過程曲線見圖3。其中S1—S3為三階段的井中水位降深，Q1—Q3為對應三個階段的出水量。

2#抽水井內水位降深隨著出水量的增加而逐漸增加，最終在泵的最大出水量為81.02 m3/h時，最大降深達4.48 m。其余各觀測井最大降深在0.53～1.31 m之間。

根據《水電工程鉆孔抽水試驗規程》（SL320—2005），首先考慮利用單孔觀測資料進行計算，采用斯卡巴拉諾維奇公式和巴布什金公式求解相關參數。其中斯卡巴拉諾維奇公式適用于潛水含水層且抽水過濾器位于含水層中部的條件，計算公式如下：

式中：K為含水層滲透系數；R為影響半徑（m）；r為抽水孔濾管半徑（m）；S為抽水井內水位降深（m）；Q為抽水井出水量（m3/h）；l為濾管長度（m）。

巴布什金公式（式（3））適用于求解承壓水、潛水單孔抽水試驗的滲透系數。

利用式（1）、式（3）進行單孔抽水試驗的滲透系數計算，結果見表2。

根據單孔抽水計算結果，含水層滲透系數變化不大，在8.82×10-3～ 1.43×10-2 cm/s之間。

之后考慮采用多孔觀測資料計算方法，根據兩口不同距離的觀測井水位降深來計算含水層滲透系數K，采用吉林斯基公式（式（4））求解滲透系數。

式中：r1為1#觀測井中心距抽水井中心距離（m）；r2為2#觀測井中心距抽水井中心距離（m）；S1為1#觀測井水位降深（m）；S2為2#觀測井水位降深（m）。計算結果見表3。

根據兩口觀測井3次降深的計算結果，含水層滲透系數比單孔抽水計算結果略大，在1.52×10-2～2.62×10-2 cm/s之間。

按照上述計算過程對以8#井為抽水孔的試驗數據進行計算，得到工程區主含水層滲透系數在1.05×10-2～2.46×10-2 cm/s 之間。

之后開展了群井抽水試驗，驗證各井降水時的疊加效應。將2#、5#、8#井按最大出水量同時抽水，抽水時間持續24 h，累計抽水8 484 m3。按抽水井布置軸線，將各井內最大降深分布繪于圖4。由圖4可見，抽水前場區地下水位起伏不大。當三口井同時抽水時，各抽水井及觀測井內降深明顯大于單井抽水時的降深，井群疊加效果較明顯。根據群井降水試驗的觀測結果計算工程區主含水層滲透系數，結果在0.98×10-3～1.62×10-2 cm/s，井群與單井降水試驗的計算結果相差不大。

綜合以上結果可知，采用不同解析方法進行滲透性計算時，結果規律性較好，計算的滲透系數變化范圍小。細砂層滲透系數為10-3～10-2 cm/s量級，建議取值為1.5×10-2 cm/s。在群井抽水時，井群疊加效果較明顯。

3 三維滲流模型構建及基坑滲控方案論證

3.1 三維滲流模型的構建

工程區基坑開挖范圍順西河河道方向約為135 m，垂直于河道方向約為150 m。為消除邊界范圍對計算結果的影響，模型計算范圍取基坑開挖范圍的10倍。同時，由于泵站距離長江較近，已有資料顯示基坑處地下水與長江水力聯系密切，因此，將模型計算范圍的右側邊界延長至長江江心處。

模型建模范圍見圖5。四周邊界條件均為給定水頭。右側邊界BC給定為長江水位，并下切至-16 m高程至③層細砂含水層。左側邊界A點和D點為該處的地下水水位，取10 m。EF段水位取西河水位。長江和西河水位取枯水期10 a一遇水位，分別為9.85 m和8.55 m。根據鉆孔情況構建工程區三維地質模型，在此基礎上構建了地下水數值模擬模型。利用有限差分方法對模型進行網格剖分，對基坑附近網格進行了加密，共剖分有效網格52.74萬個。

模型參數賦值參考現場抽水試驗計算結果（見表1），其中模型的滲透系數取值與地質建議值基本相同。頂部的淤泥質重粉質壤土岸上和河道中的滲透系數建議值相差不大，在模型中進行概化處理。而②4層粉細砂、③層細砂和⑤2層中細砂夾礫石的滲透系數由抽水試驗結果獲取，與地質建議值有一定的出入，但模型按實際的野外試驗情況來賦值，更能反映基坑工程區的水文地質參數情況，其他地層的模型參數取值與地質建議值一致。利用率定后的三維滲流模型，對防滲墻封閉前后兩個階段的滲流控制方案布置開展計算分析，并進行合理優化。

3.2 防滲墻封閉前的基坑降水方案

在純降水階段，為保證拆除老站前池護坦混凝土和前池翼墻混凝土的工程安全，順利完成管樁和灌注樁的施工，需要將主基坑范圍內的地下水位降至

-6.0 m高程以下。在三維計算中，長江和西河水位取10月到次年5月（枯水期）10 a一遇水位。通過合理布置降水井，將主基坑范圍內的地下水位降至目標高度。根據反復優化，最終確定采用12口井深為40 m的降水井，井位布置見圖6，滲流場計算結果見圖7?；涌偝樗繛?4 532 m3/d，平均單井抽水量為1 211 m3/d。在該方案下，各降水井中水位降至-9.5 m。

利用解析解對基坑降水涌水量進行了估算，含水層基坑降水影響半徑計算見式（2）。當工程區主含水層滲透系數取1.5×10-2 cm/s時，根據式（2）計算得到在純降水階段，基坑降水的影響半徑約為504 m。

承壓含水層基坑涌水量計算公式如下：

式中：q為基坑涌水量（m3/h）；M為含水層厚度（m）；r0為基坑計算半徑（m）。

由式（5）計算得到，在防滲墻封閉前的純降水階段，基坑涌水量約為15 494 m3/d。對比解析解的涌水量計算結果與三維滲流計算結果，二者僅相差6.2%，表明三維滲流計算的結果可靠性較高。

3.3 防滲墻封閉后的防滲墻+降水井的滲控效果復核計算

在工程第二降水階段，為保證鳳凰頸新站及壓力箱涵基坑開挖、站身底板混凝土澆筑、新老混凝土搭接施工順利完成，需將主基坑范圍內地下水位降至-10.0 m高程以下，老泵房和長江側防滲墻連接處地下水位降至-7.0 m以下。長江和西河水位取全年10 a一遇水位。經過多個方案的計算和優化，得到降水井布置方案（見圖8）和滲流的平面計算結果（見圖9）。采用11口40 m深的降水井，防滲墻深度42 m。

在該方案條件下，基坑總抽水量為9 299 m3/d。其中防滲墻內基坑總抽水量為802 m3/d，平均單井抽水量為267 m3/d，井中水位降至-10.5 m。防滲墻外總抽水量為8 497 m3/d，平均單井抽水量為1 062 m3/d，井中水位降至-9.2 m。該方案僅利用11口降水井即可完成第二階段的降水目標，所需降水井數少，整體投入小，并留有一定的滲流安全余度，可以用作防滲墻+降水井滲控的推薦方案。

綜合3.2節和3.3節的研究，推薦采用井深為40 m的降水井、墻深為42 m的防滲墻進行滲流控制。降水井布置方案如圖10所示，剖面圖如圖11所示。推薦降水方案共需布置降水井22口，防滲墻內布井14口（包括B1和B2兩口備用井），防滲墻外布井8口。在防滲墻還未形成的基坑初期降水階段，采用防滲墻內的P1至P12進行基坑降水（B1、B2井備用），可將基坑水位降至-6 m以下。在42 m深的防滲墻構建完成后的第二階段基坑降水階段，由防滲墻內3口井（P2、P5、P8）和防滲墻外8口井參與降水，可將主基坑水位降至-10 m以下，將老泵房和長江側防滲墻連接處地下水位降至-7.0 m以下。

4 結 論

本研究綜合運用現場試驗和數值計算的方法對鳳凰頸基坑降水過程中的滲流問題展開系統分析。采用野外抽水試驗方法確定主含水層水文地質參數，基于三維滲流計算，對鳳凰頸泵站改造工程基坑防滲墻封閉前后兩個階段的地下水控制方案開展研究，綜合考慮工程經濟性和施工便捷性，提出了推薦降水方案。主要研究結論如下。

（1）經過單井及群井降水試驗計算分析，得到工程區主要含水層的滲透系數為10-3～10-2 cm/s量級，建議取值為1.5×10-2 cm/s。群井降水試驗時，各觀測井內降深明顯大于單井抽水時的降深，井群疊加效果較明顯。

（2）在防滲墻封閉前，采用12口井深40 m的降水井，經過合理布置可以將主基坑水位降至-6 m以下，保障基坑前池底板拆除工作順利進行。在江河水位取枯水期10 a一遇的水位條件下，基坑總涌水量為14 532 m3/d。

（3）在完成防滲墻四周封閉后，利用11口降水井進行基坑滲流控制，可將主基坑水位降至-10 m以下，將老泵房底部的地下水位降至-7.0 m以下。在江河水位取全年10 a一遇的水位條件下，基坑總涌水量為9 299 m3/d。

（4）在防滲墻封閉前的純降水階段，采用解析解計算得到的基坑涌水量和三維滲流模型計算結果偏差僅為6.2%。二者相互驗證，表明三維模型計算結果可信度較高。

參考文獻：

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Measurement of Seepage Parameters and Optimization of Seepage Control Plan for the Foundation Pit of Fenghuangjing Pump Station in Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project

FAN Yue1，WANG Maosong2，ZHANG Wei1，CUI Haodong1，CHEN Jinsong1

（1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Anhui Survey amp; Design Institute of Water Resources amp; Hydropower Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract：The dewatering problem in the excavation process of the foundation pit is important and complicated. This paper takes the Fenghuangjing Pump Station reconstruction in Yangtze-to-Huaihe Water Diversion，systematically analyzes the seepage problem in foundation pit dewatering through field tests and numerical simulation. Based on on-site pumping test data，the hydrogeological parameters of main aquifer in foundation pit are obtained，and a three-dimensional seepage model for the project area is constructed. The optimization research of the foundation pit dewatering plan before and after the closure of cut-off wall during construction period is carried out，and the layout forms of cut-off wall and dewatering wells is finally determined. The results show that the permeability coefficient of main aquifer in project area is 1.5×10-2 cm/s，the drainage volume of foundation pit before the closure of cut-off wall is" 14 532 m3/d. While after the closure of cut-off wall，with the seepage control scheme of cut-off wall and dewatering wells，the drainage volume is 9 299 m3/d，primarily coming from the precipitation outside the wall. The analytical solution and the calculation results from the three-dimensional seepage model are well consistent，indicating the high credibility of the calculation results. This study provides insight and example for optimizing the dewatering plan design of foundation pits in sluice station.

Key words：Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project；pumping test；seepage control；numerical model