深厚透水砂基中泵站工程的渗透稳定分析及处理措施

李聪磊

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，合肥 230088）

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

原沙池一站位于安徽省铜陵市郊区老洲镇境内，隶属陈瑶湖流域，地处长江下游北岸。该站建于1987 年，经过30 多年的运行，水工建筑物、机电设备及金属结构等损伤严重，经鉴定，为四类站，需要拆除重建。

由于受到外江水位的顶托，在汛期时圩区内涝水、陈瑶湖内的洪水均无法及时排出，历史上“关门淹”的情况时有发生，给人民的生命财产安全都造成了不同程度的损害和威胁。沙池一站为原址重建工程，根据设计资料，该泵站具有圩区内涝水的抽排和自排功能，流量分别为38.0、24.4 m3/s；同时兼顾陈瑶湖湖区内洪水的抽排，排洪流量42.0 m3/s，选定6 台1400HLB6.55-7.91 混流泵，总装机4500 kW。泵站总体布置采用堤后式，顺水流向自上而下依次设有拦污检修闸、进水前池、站身、汇水箱以及穿堤涵洞、防洪闸等。工程等别为Ⅲ等，属中型泵站。

1.2 地质条件

根据地质钻孔勘探及试验成果，站址处自建基面起，自上而下地层分布及其渗透性见表1。

表1 站址处建基面以下地层分布及主要参数

站址区域内地下水以孔隙潜水与承压水为主，其中潜水广泛分布于②层及②1层等微～弱透水层中，受地表水及大气降水补给。承压水主要赋存于③层、④层及⑥层等中～强透水砂砾石层中，且在长江外滩上出露，与长江水位有着紧密的水力联系。

2 模型的建立及参数选取

2.1 模型建立

根据二维稳定渗流场有限单元法基本理论[1]，本文分别对天然地基、悬挂式防渗墙（墙深25.0 m，墙底未进入微透水层）和落底式防渗墙（墙深32.0 m，墙底进入微透水层）等3 种模型进行模拟分析。考虑到在泵站检修期长江外水位为设计运行水位14.30 m（吴淞高程，余同），而内侧站身前池无水（即2.30 m），此时水头差最大为12.0 m，以此为最不利工况进行模拟分析计算。模型范围见图1～图3。

图1 天然地基模型范围示意图

图2 悬挂式防渗墙模型范围示意图

图3 落底式防渗墙模型范围示意图

2.2 参数的选取

本文防渗墙采用高压摆喷墙，根据文献[2,3]的试验结果，在相近的压力参数、浆液配比等条件下，墙体渗透系数基本为1.0～6.0×10-9m/s，结合本地区类似工程经验，本工程设计时高压摆喷墙渗透系数取为2.0×10-9m/s，其余土层的渗透系数见表1。

3 计算结果及分析

采用有限元软件Autobank对上述3种模型进行模拟计算，探究深厚透水砂基上泵站基础的渗透特点，并对比分析天然地基、悬挂式防渗墙和落底式防渗墙的防渗效果和影响规律。

3.1 天然地基渗流模拟分析

当站基未设防渗墙时，根据天然地基模型进行有限元计算，得到水头分布等值线（见图4），渗流量（取单位宽度，下同）及出逸渗透坡降结果见表2。

图4 天然地基渗流等值线图

表2 出逸渗透坡降、渗流量计算结果

由图4及表2可知，在未设防渗墙的条件下，深厚透水砂基中站身前池与外江侧水力联系强烈，水头等值线变化较快，导致出逸渗透坡降较大，最大值为0.774，超过土层允许值，易发生渗透破坏。此外，单宽渗流量也较大，其对泵站工程效益的发挥、运行安全等方面都有不利影响。

3.2 悬挂式防渗墙渗流模拟分析

在深厚透水砂基中，防渗墙墙底未深入到微透水层内，此时为悬挂式防渗墙。根据悬挂式防渗墙模型进行有限元计算，得到其水头分布等值线（见图5），渗流量及出逸渗透坡降结果见表2。

图5 悬挂式防渗墙渗流等值线图

由图5及表2可以看出，采用悬挂式防渗墙后，相比于天然地基，其渗流水头等值线变化在一定程度上有所减缓。出逸渗透坡降最大值由0.774降低为0.504，降低约34.9%，单宽渗流量则降低15.4%左右，说明悬挂式防渗墙对深厚透水砂基的泵站基础防渗有一定的效果，能够有效延长渗透路径，但出逸渗透坡降仍超过允许值，尚未达到设计要求。

3.3 落底式防渗墙渗流模拟分析

根据地质勘察报告，沙池一站深厚透水砂基下伏微透水性的⑦层强风化泥质砂岩，防渗墙墙底进入该层时即为落底式防渗墙。根据落底式防渗墙模型进行有限元计算，得到其水头分布等值线（见图6），渗流量及出逸渗透坡降结果见表2。

图6 落底式防渗墙渗流等值线图

由图6 及表2 可知，落底式防渗墙基本能够阻断站身前池与外江侧的水力联系，使得前池侧出逸渗透坡降大幅度降低，满足设计要求，确保在深厚透水砂基中站身基础的渗透稳定。此外，相比于悬挂式防渗墙，落底式防渗墙的渗流量亦显著降低，约为悬挂式防墙渗漏流量的3.4%。由此可见，落底式防渗墙效果良好，能够有效控制在深厚透水砂基中泵站基础的渗流。

4 防渗处理措施

根据上述有限元模拟计算结果，在深厚透水砂基中泵站基础的防渗应采用落底式防渗墙，以达到设计要求。目前，高压摆喷技术已十分成熟，其在深厚透水砂基中具有较强的适用性，操作性强，能够有效解决透水砂砾石地基的渗透问题[4]。此外，与其他类型防渗墙对比，高压摆喷防渗墙具有明显的价格优势，能够降低工程总投资[5]。因此，建议采用高压摆喷墙对深厚透水砂基中的泵站基础进行防渗处理。为有效降低前池底板剩余水头位势，在前池底板设排水孔，孔径为0.1 m，间距2.0 m，梅花形布置，下设砂石反滤料及反滤土工布。同时，为兼顾施工期基坑降水，在前池底板设4口排水深井，井径为0.5 m，井深18.0 m。考虑到泵站长期运行可能会导致排水孔堵塞，影响站基渗透安全，另设20口排水浅砂井，井径为0.4 m，为站基渗透安全再增加一道安全保障。

5 结语

在深厚透水砂基中，泵站基础的渗透稳定是决定泵站工程安全运行的关键。本文结合工程实例，采用有限元软件Autobank 对站身基础渗流进行二维模拟计算及对比分析，提出站基防渗处理措施。

（1）在深厚透水砂基中，落底式防渗墙防渗效果显著，能大幅度降低出逸渗透坡降及渗流量，满足设计要求。

（2）悬挂式防渗墙可有效延长渗透路径，在一定程度上能够降低出逸渗透坡降，但在深厚透水砂基中站基防渗效果不良，较难到达设计要求。

（3）高压摆喷墙在深厚透水砂基的泵站基础防渗中具有较强的适用性和可操作性，作为站基渗流控制措施，是安全、可靠、经济的。

（4）为满足泵站基础渗透稳定要求，确保建筑物安全运行，延长使用寿命，在前池底板增设排水孔及反滤料。结合施工期基坑降水，另设排水深井，减少其在泵站运行期对底板的顶托作用。此外，为提高泵站运行安全可靠性，降低因排水孔堵塞引起的渗透稳定问题，加设排水浅砂井也实属必要。