广东省佛山市顺德区菊花湾电排站工程三维有限元渗流计算分析

石 然

(佛山市顺德区水利投资建设有限公司,广东 佛山 528300)

1 工程概况

菊花湾电排站位于广东省佛山市南顺第二联围南线乐从堤段、菊花湾水闸下游、桩号为13+017 m，濒临顺德水道，内通九沙涌，工程等别为Ⅳ等小(Ⅰ)型，共安装3台180 kW泵站，总装机容量540 kW，泵站主要负责围内镇内涝外排任务，直接受益人口19万人，受益农田930.907 hm2，发挥了一定的工程效益和社会效益。工程于1983年11月动工，1985年3月建成投产。由于菊花湾电排站建设年代早，已运行28年，水工建筑物破损，部分机电设备严重老化，效益衰减。由于始建时的条件限制，设计标准偏低，在2005年6月特大洪水期间，菊花湾水闸曾经出现管涌险情。虽然汛后进行了截渗加固处理，但是根据堤围下沉情况判断，闸室底板可能脱空，存在一定渗透安全隐患。为分析该电排站渗透安全状况，本文基于有限元法建立菊花湾电排站三维模型，赋予不同岩土层合适的参数，对渗流破坏过程进行模拟重现，以期为电排站渗透安全鉴定评价提供依据[1-3]。

2 三维有限元渗流计算

2.1 模型建立

为了准确模拟菊花湾电排站堤段的渗流场，本次研究中建立了三维有限元模型。三维有限元模型的建立充分利用了工程地质勘察所得的相应断面成果，用于菊花湾电排站附近区域的渗流场分析。建立的三维有限元模型见图1。

图1 菊花湾电排站渗流计算模型

2.2 计算参数

根据室内外试验结果及相似工程经验，电排站渗透系数取值见表1，菊花湾电排站粉细砂的水平段临界水力比降、允许水力比降见表2。考虑到样品ZK2-3取自地表以下10.1～10.3 m深处，该处位于淤泥层与粉砂层交界处附近，故临界水力坡降受到到淤泥层的影响。因此，本报告取该模型粉细砂的水平段临界水力坡降、允许水力比降为ZK1-3、ZK1-4、ZK2-4共3个样品的临界水力坡降、允许水力比降的平均值0.099、0.066，取粉细砂的出口处允许水力坡降取0.300。

表1 菊花湾电排站岩土渗透系数

表2 电排站取样部位临界水力比降、允许水力比降

2.3 防渗体系状况

经过现场勘测及对现有资料的分析，菊花湾电排站堤段防渗体系薄弱环节可能出现在以下几处(图2)：①在新老河道分岔处(薄弱处1)，因为老河道底部高程为-2 m，基本上已经到了粉砂层，粉细砂的渗透系数较大，渗流可以直接经粉砂层下渗至内河侧；②在电排站闸门底板前沿附近处(薄弱处2)，由于地基不均匀沉降，导致底板断裂脱空，渗流可以从断裂脱空处渗入粉砂层，然后经粉砂层下渗至内河侧；③涵管边壁处大多存在截渗墙与涵管边壁胶结不良或者出现裂缝而形成渗漏通道，水流从该处集中入渗，包括外河侧涵管边壁(薄弱处3)和内河侧涵管边壁(薄弱处4)；④内河侧进水池底板处(薄弱处5)，因为地基不均匀沉降，导致底板断裂脱空，水流从该处集中逸出。

图2 电排站防渗系统薄弱处

本次计算采用百年一遇洪水位作为计算工况水位，其中坝坡内江侧水位为0.8 m，坝坡外江侧水位为5.69 m。基于此，防渗体系主要可以分为以下几种状况：

状况1：新老河道分岔处破坏，电排站闸门底板前沿附近处未破坏，涵管边壁未破坏，内河侧进水池底板未破坏，即薄弱处1破坏，薄弱处2、3、4、5均正常。

状况2：新老河道分岔处破坏，电排站闸门底板前沿附近处未破坏，涵管边壁未破坏，内河侧进水池底板破坏，即薄弱处1、5破坏，薄弱处2、3、4正常。

状况3：新老河道分岔处破坏，电排站闸门底板前沿附近处未破坏，外河侧涵管边壁未破坏，内河侧涵管边壁破坏，内河侧进水池底板未破坏，即薄弱处1、4破坏，薄弱处2、3、5正常。

状况4：电排站闸门底板前沿附近处破坏，涵管边壁未破坏，内河侧进水池底板未破坏，即薄弱处1、2破坏，薄弱处3、4、5正常。

状况5：电排站闸门底板前沿附近处破坏，涵管边壁未破坏，内河侧进水池底板破坏，即薄弱处1、2、5破坏，薄弱处3、4正常。

状况6：电排站闸门底板前沿附近处破坏，外河侧涵管边壁未破坏，内河侧涵管边壁破坏，内河侧进水池底板未破坏，即薄弱处1、2、4破坏，薄弱处3、5正常。

状况7：电排站闸门底板前沿附近处未破坏，外河侧涵管边壁破坏，内河侧涵管边壁未破坏，内河侧进水池底板破坏，即薄弱处1、3、5破坏，薄弱处2、4正常。

状况8：电排站闸门底板前沿附近处未破坏，外河侧涵管边壁破坏，内河侧涵管边壁破坏，内河侧进水池底板未破坏，即薄弱处1、3、4破坏，薄弱处2、5正常。

2.4 计算结果

1) 防渗体系为状况1-状况3时，从三维模型中截取两个典型断面(图3、图4)，查看堤坝底板各个位置的水力坡降以及流速，计算结果见表3。结果表明，菊花湾电排站在状况1-状况3状况下电排堤坝底部与内河侧均存在一定程度的渗透破坏，抗渗不满足要求。

表3 状况1-状况3计算结果表

图3 典型断面1

2) 防渗体系为状况4-状况8时，在此情况下从三维图中选取两个典型断面查看堤坝底板各个位置的水力坡降以及流速，结果见表4。计算结果表明，菊花湾电排站在状况4-状况8下电排堤坝底部与内河侧均存在一定程度的渗透破坏，抗渗不满足要求。

表4 状况4-状况8计算结果表

3 有限元分析结论

根据现场的观测，菊花湾电排站与菊花湾水闸之间的堤围路面相对于水闸闸顶面已产生较大的沉降。考虑到电排站和菊花湾水闸为管桩基础，根据该堤段的地质以及堤围下沉情况来判断，电排站闸室底板可能已经脱空，即内河侧极有可能已经发生破坏。这与三维有限元模拟结果是吻合的。

与此同时，当内河侧发生破坏，无论外河侧薄弱环节发生在何处，在外河侧破坏处、旋喷桩底部以及内河侧破坏处，均会发生渗流破坏。因此，如任其渗流发展，菊花湾电排站将加深破坏，严重时甚至会出现溃堤后果。

4 对策建议

1) 菊花湾电排站建设年代较早，运行时间将近30年，水工建筑物存在不同程度的破损，应及时排查并整治。

2) 三维有限元渗流计算显示，菊花湾水闸和电排站闸室底板底可能发生脱空情况，内河侧可能正处于破坏状态。

3) 基于电排站存在严重的渗透安全隐患，综合考虑该站所处区域排涝能力的现有情况，且地下渗流场分布现状难以进行防渗加固工程，建议尽快拆除复堤，保障南顺二联围防洪安全。