新河口泵站地基抗渗加固中土工合成材料的设计

汪贵红

(上海市政工程设计研究总院安徽分院，安徽合肥230001)

1 工程概况

新河口泵站位于安徽省东至县长江南岸大堤上，距离外江岸滩边缘约650 m，装20台28ZLB－70轴流泵，总装机为3 100 kW，以排涝为主，兼有灌溉功能。该站基础座落在长江冲积层上，站址、前池附近地表高程12.0 m，地表下是粘性土覆盖层，覆盖层下为约30 m深的透水砂层，与长江主泓出露的砂层直接相联。该站于1972年冬开工，建成于1975年。施工期基坑开挖采用明沟排水，地基受到砂层承压水的渗流破坏，多次出现涌水冒砂现象。建成后，泵站站基及前池底部几乎年年管涌冒砂，有几次十分严重。如1983年汛期，前池干砌石护底部位出现大面积坍坑，坍陷体积达130 m3，深达1.6 m。1986年汛期在1983年坍陷加固部位的浆砌石护底处大面积隆起，约有48 m2，最大隆起高度为0.5 m。1998年4月泵站检修前，前池出现3处管涌冒砂，最大一处冒砂量约6 m3，沉陷范围约16 m2，深约0.3 m。该站是安徽省长江大堤上的重大险工之一。

2 前池渗流破坏的原因分析及加固方案的选定

站址位于长江冲积层上，地基是典型的二元结构。地表高程12.0 m至2.0 m左右为粘性土覆盖层，渗透系数约为1×10-6cm/s，以淤质中、重粉质壤土为主，含有轻粉质壤土夹层和粉细砂透镜体；覆盖层以下分别为极细砂、细砂、粗砂砾石，深度约为35 m，渗透系数为10-4～10-2cm/s。由测压管资料分析，前池西侧覆盖层内的粉细砂透镜体和深砂层相通。覆盖层内地下水为孔隙滞水，砂层的承压水主要受江水补给。汛期江水位高于堤内地面，深砂层在长江主泓已出露，江水直接通过深砂层向前池内渗流。非汛期，江水位低，覆盖层内潜水向砂层补给渗流。

该站施工时，采用明沟排水，基坑覆盖层受砂层承压水顶托，涌水冒砂，受到较严重的扰动破坏。覆盖层虽为粘性土，但含有粉细砂透镜体，以及极薄砂土互层，根据测压管资料分析，前池的渗透出逸坡降已超过覆盖层的允许出逸坡降，经多次渗流破坏，已和深砂层相通。深砂层承压水是渗流破坏的主要原因。

该工程曾多次加固，其中主要加固有4次，前池原有干砌石护底，经数次加固后，分段改为钢筋混凝土、混凝土和浆砌块石，剩余透水的干砌块石护底面积仅为前池的1/5左右。

上海市政工程设计研究总院安徽分院于1998年承担了该站的除险加固设计任务。在综合分析测压管水位资料，以及历次除险加固的经验教训后，拟定以排渗减压为主的原则，将前池砂层以上约4 m厚已破坏的覆盖层挖除直至砂层，铺设土工布，保护砂层以免细颗粒流失，土工布上回填强透水砂卵石，前池内及四周设若干砂井，砂井填以复合土工布袋装砂砾石，使深层承压水顺畅导出。以下主要介绍该工程中土工布、复合土工布的设计和应用。

3 土工布、复合土工布的设计

根据地质勘探资料，地基下砂层上部为极细砂，按其颗分曲线，各种特征粒径均值为。极细砂的颗粒较均匀，不均匀系数

3.1 无纺土工布设计

该站地基多次渗透破坏，砂层上部极细砂贯入击数低，相对紧密度松，覆盖层内已形成渗漏通道，减压沟基坑开挖中也证实了这一推断符合实际。为防止极细砂渗透破坏，减压沟内铺设土工布，既保护极细砂颗粒不流失，又具有透水性。

按照《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T225－98)(以下简称《土工合成材料规范》)，反滤材料应满足保土性、透水性及防淤堵性。下面根据极细砂各特性粒径分别对其进行保土、透水，以及防淤堵设计，选择合适的无纺土工布。

3.1.1 保土性

无纺土工布的保土性应满足《土工合成材料规范》式(4.2.2-1)

式中：O95——土工织物的等效孔径，mm;

d85——被保护土的特征粒径，即土中小于该粒径的土质量占总质量的85%，采用试样中最小的d85，该工程d85min=0.19 mm;

n——与被保护土的类型、级配、织物品种和状态有关的经验系数。

n按规范中表4.2.2规定取值,因d50均大于0.13 mm,即d≤0.075 mm对应的含量百分比＜50%,Cu=3.48,n=0.5×Cu=1.74。

3.1.2 透水性

无纺土工布的透水性需满足规范中的要求，即土工布的渗透系数必须大于被保护土料的渗透系数或10倍于被保护土料的渗透系数，极细砂的渗透系数8×10-4cm/s,即使取10倍，也仅为8×10-3cm/s。根据国内大部分厂家的试验检测结果，渗透系数均超过8×10-3cm/s,所以该工程要求渗透系数大于1×10-2cm/s。

3.1.3 防淤堵性

被保护的极细砂不均匀系数小，亦即级配较好，前池设置定长减压沟及排渗减压砂井后，根据渗流分析计算，位势及水力梯度大为降低。按规范中式(4.2.4-1)计算 O95。

式中：d15——被保护土的特征粒径，即土中小于该粒径的土的质量占总土质量的15%，d15=0.066 mm。

综合以上结果，无纺土工布需满足0.198 mm≤O95≤0.33 mm;且渗透系数 ＞10-2cm/s，厚度根据已有的土工布应用经验取4 mm,每平米重400 g。

3.2 复合土工布设计

前池和站基周围设置深砂井及浅砂井。为保证站基附近深砂井有效发挥排渗减压作用，防止淤堵，Ф0.8 m的砂井内先置入Ф0.6 m的复合土工布袋，内装强透水砂卵石。复合土工布为1 mm厚机织布与1.5 mm厚无纺土工布复合而成。按反滤准则，复合土工布袋周围回填匀粒中砂，要求不均匀系数Cu≤3,复合土工布的被保护土料即匀粒中砂，复合土工布易于满足保土性、防淤堵性要求。袋装砂卵石对布袋的抗拉强度有一定的要求,机织布具有较高的抗拉强度，但保土性较差，无纺土工布抗拉强度低，但保土性可达设计要求，所以采用复合土工布。

经计算,在施工过程中土工布袋承受的最大拉力达56 kN，相当于1 485N/5 cm。一般无纺土工布的抗拉强度远低于1 485N/5 cm,另外,尚需考虑1.5以上的安全系数，以免土工织物拉伸变形过大，既降低了渗透性又减低了强度，最终设计要求复合土工布的抗拉强度不低于2200N/5 cm,渗透系数不小于10-2cm/s。因复合土工布袋内装砂卵石，外填匀粒中砂，而复合土工布的等效孔径一般小于无纺土工布，所以对等效孔径要求不小于0.08 mm。

该加固工程于1998年11月动工，现已完工。在实施加固中，建设单位及施工单位根据设计要求，征询了5～6个生产厂家，最终选定安徽省安庆市土工织物厂的产品。经随机取样，送长委长江科学院长江地基公司检测，无纺针刺土工布的的等效孔径为0.2 mm，渗透系数达3.07×10-1cm/s;复合土工布的等效孔径为0.09 mm，渗透系数5.73×10-2cm/s抗拉强度达2 470N/5 cm,满足设计要求。在施工过程中，现场在对设置复合土工布袋的深砂进行现场注水试验，深砂井的渗流量明显大于无土工布袋的浅砂井，主要原因之一是复合土工布袋内装强透水砂卵石。新河口泵站及前池的地基经加固后，泵站及前池四周测压管位势普遍降低，与去年同期同水位相比较，位势值平均降低约30%，且前池四周测压管水位趋于接近。按1999年6月2日实测值推算，前池部位砂层内的位势值平均为21.8%，若遇50 a洪水，水头差最大时，承压水头为1.53 m，最大垂直出逸坡降为0.36。满足抗渗安全要求。

4 结语

新河口泵站地基抗渗加固处理中，合理地采用了无纺针刺土工布，复合土工布，造价经济合理,达到排渗降压、工程抗渗安全的预期目的，为安徽省长江南堤除去了一大工程隐患。