新河口泵站承压水渗流特点分析及新站地基处理对策

朱丽娜

一、泵站基本情况

安徽省东至县广丰圩新河口排涝泵站位于长江南岸干堤上，老站装机20台，总容量为3100kW，机排为主，兼有灌溉和自排功能。由于老站施工期跨2个主汛期，地基受到承压水顶托，多次出现涌水冒砂现象，运行初的十余年里，前池（底高程7.5m）和进水池（底高程6.5m）底部几乎年年管涌冒砂，有时十分严重，曾先后加固处理过14次，最近一次为1998年汛后。

2010年新河口老站安全鉴定类别为四类，需拆除重建。由于老站和前池基础遭到大范围严重破坏，同时为了解决跨汛期施工的度汛问题，设计考虑新站位于老站左侧老河口处，两站中心线相距约100m。新站设计流量33.2m3/s，装机6台，总容量3780kW，为堤后湿室型泵房。前池和泵房建基面高程4.5m。

二、工程地质特性

老站基础坐落在长江冲积层上，地基为典型的二元结构，地表12.0m高程以下是粘性土覆盖层，以重粉质壤土为主，有轻粉质壤土夹层和粉细砂透晶体。覆盖层以下为透水砂层，由上而下分别为极细砂、细砂、粗砂砾石层，总厚度约30m，与长江河床砂层直接连通。

新站地质条件与老站总体相似略有差别。新站址为历史上的老河口，前池以及泵房基础以下为淤泥质中粉质壤土，局部夹薄层砂壤土，层厚2～6m；其下为中粉质壤土夹砂壤土、极细砂层，层厚1～7m；再下即为强透水的极细砂、细砂以及砂砾石层，层厚约35m。

地下水类型为孔隙型潜水和承压水。潜水分布于上部的素填土及粉质壤土、淤泥质土层中，总厚度10～22.3m，为弱～微透水性土层，渗透系数为 i×10-5～i×10-7cm/s，地下水主要以大气降水与河、沟塘水补给为主。承压水主要赋存于极细砂、细砂、砂卵砾石层中，厚度30～35m，为强～中等透水层，其渗透系数为i×10-2～i×10-4cm/s，随长江水位有一定变化，承压水头距含水层顶板约7～10m。由于堤后淤泥质中粉质壤土普遍存在且厚度较大，使得承压水的承压性较大。

三、站基承压水渗流特点和影响分析

类似新河口泵站地层结构的站基，出现破坏性的渗流往往是承压水作用的结果。1998年新河口站管理单位委托安徽省水利水电勘测设计院对老站的前池和进水池的渗透破坏问题进行了研究，由于新老站的地质相似性，老站多年的测压管观测资料对拟建的站基地下水渗透稳定论证有很好的借鉴作用，经归纳分析，站基承压水的渗流有以下的特点：

（1）潜水和承压水之间存在水力联系，堤后有压水位线高于无压水位线。泵站地基是典型的双层地基，表层粘性土覆盖层的透水性远小于下卧砂层，砂层的粒径及透水性随着深度的增加而增加，底部接近基岩处有砂砾石强透水层。覆盖层中的地下水为潜水，砂层中的地下水为承压水，当长江水位高于地面时，江水向堤内渗透，大堤和覆盖层中的渗流是无压渗流，下卧砂层中的渗流是有压渗流，虽然互为补给，但各自形成稳定的地下水位线，在堤外侧无压流线高于有压流线，在堤内则相反。各自的地下水位线相交于防洪大堤的堤身下，交会点的位置随江水位的升高而内退，也随江水位的降低而外移。

（2）前池处承压水位势受江水和潜水共同作用，且前池水位越低，潜水影响越大。当前池水位低于覆盖层中的潜水位和江水位时，流向前池的渗流不仅来自江水，也来自两侧潜水，渗流从三面向前池汇集，前池下覆盖层底的承压水头，不能简单按平面（二维）渗流场推求位势，必须考虑潜水的影响。通过对老站测压管水位以及江水位和潜水位的系列观测数据进行二元回归分析，结果表明，潜水的影响远大于江水的影响。因此前池池底覆盖层下的最大承压水头并不出现在当年最高江水位的时候，也不出现在内外水位差最大的时候，而是出现在前池水位最低的时候，老站前池多次渗水冒砂都出现在这个时候。当前池水位接近或与潜水位11.5m持平时，站基渗流场才接近平面渗流场，潜水不再流向前池，渗流来自江水，位势才比较稳定有规律。

（3）承压水位势受垂直渗流影响大，而水平渗径影响很小。从老站施工期和运行期发生的渗流破坏形态来看，渗透变形不是沿着地下轮廓线出口发生的，即水平渗径大小不是关键因素。各土层的透水性由上而下由弱透水层过渡到强透水，站基渗流主要来自深层砂砾石层（高程-35m左右），表现为地下水由下而上垂直渗流十分显著，从而在弱透水覆盖层下形成较高的渗透压力。尽管从滩地到泵房水平距离达600m，但承压位势并没有随主要补给源距离的增加而明显减小，遇到覆盖层薄弱环节还是会产生渗透变形问题。历史上长江干堤（枞阳江堤）堤后1km的沟塘里汛期就曾发生管涌现象，其地质问题均比较类似。

为了论证垂直和水平方向渗流影响的程度，在新站站基渗流溢出侧采用悬挂式垂直防渗墙和全截断式防渗墙两个不同的防渗措施，计算出站基承压水的渗流位势分布情况见图1，得出前池渗流位势最大值分别为51%和16%，而现状前池位势为59%。足以证明悬挂式防渗墙对站基渗流稳定作用很小，承压水的渗流是自下而上的，且影响较远。

图1 悬挂式和全截断式防渗墙渗流位势分布对比图

四、新站基渗透稳定处理方案和措施

1.站基渗透稳定处理方案

一般防止水工建筑物下游出口处渗透变形的途径是前堵后排，延长渗径即地下轮廓线长度，或者改变出口处的渗流方向，由水平向为主变为垂直向为主，比如在出口处建深齿墙或板桩以降低渗流的出逸坡降。根据上节的分析，采用悬挂式垂直防渗体延长渗径是无效的，必须采用垂直防渗体彻底截断渗流通道，才能确保前池的渗透稳定性。

关于前池渗透稳定处理，下面就防渗墙全断面围封方案和前池排水降压井导渗方案分别进行比选分析。

垂直防渗墙全断面围封截渗方案。该方案结合工程施工，将泵房、前池和进水闸采用垂直防渗墙围封，考虑成墙深度和施工质量，防渗墙采用液压抓斗法或冲击钻法成槽的塑性混凝土防渗墙，墙体厚度取0.6m，底部深入砂岩风化层内2m，顶部为建筑物基础底面或淤泥质中粉质壤土中上部约9m高程。前池内均匀布置30口浅层砂井，井距均为5m，井底高程-6m，口径0.8m，井内回填砂卵石以增加透水率，便于导出围封墙内的渗水，消减承压水头。

前池排水降压砂井导渗方案。该方案在池内均匀布置6口深井，3排，排距8m，井距16m，井底高程-18m，口径0.8m；围绕深井再布置39口浅井，7排7列，井距均为4m，井底高程-6m，口径0.8m。深浅井内均回填砂卵石以增加透水率，井口与池底反滤层连接，三级反滤总厚度0.8m，其上布置混凝土结构护底和导水孔。

防渗墙围封方案的投资较降压井方案成倍增加，并不经济。但防渗墙方案对围封范围内的前池部位渗透稳定明显有利，无论外河水位如何变化，前池均不受影响。但由于成墙深度过大（约46m），防渗墙墙体施工质量尤其在关键部位的砂砾石层很难保证。采用防渗墙围封前池后，并不降低堤后的渗流承压水头，未围封的区域如进水渠道等部位仍然存在渗透稳定安全隐患。

深层和浅层砂井相结合的前池导渗降压方案，可将透水砂层承压水充分导出。经计算前池内最大位势为20%，也能很好地降低周边的承压水头，且施工便捷，工程投资省。

从技术经济综合比较来看，新站采用排水降压的办法解决基础渗透稳定问题是合适的。

2.渗透稳定处理其他辅助措施

由于站基渗流需要同时考虑地下潜水和地下承压水的双重影响，计算复杂，影响因素多，除新站前池内布置排渗降压井外，还需结合工程和管理上措施，确保泵站运行期安全。

（1）在外河出现高于最高运行水位的洪水位时，避免前池水位过低，可以通过前池进水闸反向蓄水，尽量提高池内水位至地下潜水位附近，一方面降低内外水头差，另一方面削弱潜水的渗流影响。

（2）老站前池在1998年加固后，起到了良好的防渗减压效果。老站拆除后，前池和进水闸应予保留，同时在进水池部位布置反滤排水棱体，以确保前池的排渗减压效果维持现状，不因老站拆除回填造成新的安全隐患，同时对新站的站基渗透稳定也是有利的。

（3）新站施工期间在四周布置的临时降水井应按照永久井要求设计和施工，工程完工后前池周边的应保留利用。老站现有降水井可加以利用，并加强观测。

五、总结和体会

（1）新河口站地基深厚的强透水层及其垂直渗流特点，决定了减压井方案优于截渗墙方案。但用于施工降水的临时井改永久减压井后，会存在物理和化学淤堵可能，设计时应作为安全储备。

（2）在地质条件允许、施工质量可靠的前提下，能够做到既堵又排则最为安全合理。但选择截渗墙方案作为站基渗流控制的主方案时，减压井必须作为重要的工程措施布置，不能缺省。

（3）无论采取了哪一种渗流控制工程措施，施工期地基都不允许发生渗透稳定破坏现象，否则会形成不可逆的渗流通道从而成为永久隐患，因此施工期的降排水措施以及度汛方案至关重要。

目前新河口新站工程施工已经完工，水下工程也经历了一个洪水期考验，施工期未发生任何渗流失稳现象，工程运行正常■