涡阳闸砂土渗透性分析

李家财

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230088)

涡阳闸是安徽省境内3个大的节制闸之一,枢纽位于涡阳县城北郊涡河干流上,由节制闸、船闸等组成。节制闸始建于1958年,共22孔,每孔宽4 m,高8.2 m,闸底板高程22.34 m。船闸于1973年10月建成,按6级航道标准设计,通航能力100 t,闸室长100 m,宽7.5 m,底板高程19.84 m。

涡阳闸泄洪标准按20年一遇标准设计,设计过闸流量2 400 m3/s。按50年一遇校核,校核流量为2 900 m3/s,正常蓄水位28.34 m,最高蓄水位29.34 m。工程等别为II 等大(2)型,主要建筑物级别为2级,次要建筑物级别为3级。该枢纽运行主要是控制涡河洪水,提高了涡河的防洪标准,减轻了涡河下游及怀远段淮河干流防洪压力;同时兼有蓄水、排涝、通航等多种功能。

1 工程地质

1.1 地基土特性

根据勘察资料,涡阳闸闸基各土层特性分述如下:

1.2 水文地质条件

本工程区内场地地层均为第四系松散沉积层,地下水主要以孔隙水的形式赋存于下部地层中。根据地下水的储存、运动和排泄特点,可将其分为孔隙潜水和孔隙承压水2大类。

孔隙潜水主要分布于场地上部的人工填土、粉质壤土土层中,该含水层系第四系冲积堆积物,结构松散,且受长期干湿交替和耕作的影响,主要接受大气降水和地表水补给。

孔隙承压水分布于闸基下部③ 层细砂中,因其上部有一定厚度的相对不透水层(② 层)的覆盖,其下部④ 层重粉质壤土,构成承压水层底板。从而形成一定的承压性。根据地下水水位观测资料分析:场地地下承压水头高度约11.20～12.10 m。

1.3 含水层土的物理性质指标

根据室内土工试验资料成果可知③层细砂(含水层)含水量为12.9%～37.9%,天然密度为1.83～2.10 g/cm3,干密度为1.47～1.62 g/cm3,孔隙比为0.481～0.825,土粒比重为2.66～2.71。室内颗分试验结果表明砂土平均控制粒径d60=0.163 mm,平均有效粒径d10=0.074 mm,不均匀系数Cu=2.2,其组成如图1所示。

图1 颗粒分析试验曲线

根据设计报告,涡阳枢纽底板高程22.84 m,由地质剖面来看,基建面位于② 层中～重粉质壤土下部或③ 层细砂表部。施工开挖后,因上覆(② 层)厚度较薄或缺失,在承压水水头作用下,易在坑底产生突涌等渗透稳定问题。因此,为设计提供合理的渗透性指标,需对该层土的渗透性进行分析、研究。

2 抽水试验

2.1 抽水试验观测线布置方案

为进一步了解含水层土的渗透性能及其变化规律,结合建筑物重要等级及水文地质条件,本方案共布置2条观测线,每条观测线上共布置4孔。在枢纽上游,观测线方向与地下水流向平行,下游观测线与地下水流向垂直。孔距布置原则如下:第1观测孔与抽水孔距离3 m,第2观测孔为含水层1.5倍(6 m),第3观测孔为含水层3倍(12 m)。枢纽上游抽水试验井孔结构剖面图如图2所示。

图2 抽水试验井孔结构剖面图

2.2 抽水试验孔结构

抽水试验孔孔径300 mm,过滤管直径150 mm,其中:试验段为花管,沉淀管及试验段的上部均用φ150 mm实管,每根长2 m～3 m,接箍联接。试验段花管外包裹1～2层孔径0.18 mm过滤网(尼龙布),细铁丝缠紧。过滤网外用粗砂过滤。潜水层与承压水层之间用半干粘土球回填封堵,主要目的是阻滞上层潜水下渗。

2.3 抽水试验孔成孔工艺

① 抽水试验孔成孔前应进行先导孔的施钻工作,初次成孔孔径不小于89 mm。先导孔完成后,下一步进行扩孔工作。可根据土层钻进难易程度分级次扩孔。钻探成孔尽量采用清水作循环液,砂性土孔壁稳定性较差,可利用上部的粘性土提前造浆护壁。② 扩孔工作结束后,可将事先配置好的沉淀管、过滤管及实管依次下入孔内。最后再下入滤料(粗砂过筛),用粘土球进行土封堵并及时绘制安装结构图。③ 抽水试验前需反复清洗工作,因本次钻进成孔时采用了造浆护壁,先用清水对孔内泥浆进行置换、稀释,再采用“活塞洗孔法”进行清洗。其原理是利用钻机卷扬带动活塞在套管内做上下往复运动形成的负压,打通过滤管与含水层之间的渗水通道,抽水工作同时进行,直至达到水清砂净无沉淀方可进行正式抽水试验工作。

2.4 抽水试验降深与稳定延续时间

(1)降深。本次抽水试验方案为多孔抽水,试验降深顺序宜从小到大依次进行,最大降深不宜降低到含水层底板以下。抽水试验要定期观测动水位和涌水量,开始试验时一般时隔5～10 min观测一次,趋于稳定时可调整为20 min一次,直至结束。

(2)稳定延续时间。本工程在闸上、下游2条观测线上共进行了6次降深抽水试验,每次稳定延续时间均大于4 h,每次降深连续不间断。试验过程中抽水孔、观测孔的动水位测量由专人负责,统一指挥。图3为闸上游侧抽水试验现场绘制的Q-t、S-t曲线和试验结束后水位恢复曲线。

图3 Q-t,S-t及水位恢复曲线图

3 试验成果分析

表1 抽水试验成果表

由表1可知:闸基土③ 层细砂渗透系数最小值为7.03×10-3cm/s,最大值为8.62×10-3cm/s,平均值为7.93×10-3cm/s。从计算成果来看,闸基土具中等透水性。

对表1中6组数据(渗透系数值K)进行统计、分析,其标准差为0.513,变异数为0.06。由此可进一步判别,试验成果渗透性系数分布集中,离散程度小,平均数的代表性好。

4 结束语

抽水试验(多孔)的优点是:可用在任一观测线上的2个观测孔的降深来计算含水层的渗透系数,过程简便。而且在计算过程中不需考虑影响半径、地下水流态等因素的影响。成果能客观、真实地反映含水层的透水性。

本工程实例运用上述试验方法,对获得的原始数据进行统计、分析,确定了场地③ 层细砂的渗透系数。对本工程而言,准确、合理的渗透性指标为工程降水方法的选择和降水系统的平面布置提供了强有力的技术支撑,对流域内相关工程建设有一定的参考实用价值。