某排涝站主要建筑物防渗分析

文／贾丽军 阳谷县水利局 山东聊城 252300

1.工程概况

该排涝站工程位于低纬、亚热带季风气候区，常年温度高、湿度高；在冬，无霜期为341 天，年平均温度为21.9℃，年均降水量1799mm，年的平均相对湿度在75-82%之间，年均蒸发面积为1749m2，且在不同年份间有很大的差异。以北风为主，夏季以东南风为主，冬天以偏北风为主，年均风速为2.5m/s，年均最大风力为13.6m/s，最大风速为27.9m/s。

由于受地形的限制，本次排涝站布置空间受限制，排涝站及管理区的布置均在河道和河道两侧划定区域范围内布置。本工程主要由两部分组成，电排站和自排闸，电排站平行于自排闸布置，考虑自排时水流的顺畅和减小施工开挖对厂房的影响，自排闸布置在靠近主河道位置，电排站紧邻自排闸左侧布置。主厂房布置在电排站中间，安装间布置在电排站主厂房左侧，副厂房分两部分，分别布置在主厂房右侧的自排闸内河侧箱涵上部和主厂房内河侧。

排涝站管理区紧凑布置在泵房和副厂房外侧，共计占地2.0 亩，布置有回车场、仓库和砼路面等。管理用房布置在副厂房上层，副厂房和管理用房共三层，一层为高、低压机柜室、二层为办公室及中控室、三层为值班室及宿舍，总建筑面积1345.57m2。为方便管理，管理区大门布置在引渠左侧，两侧堤顶道路通过电排站出水箱涵、自排涵闸顶连通。电排站由内到外依次为：引渠、清污桥、前池、泵房、出水箱涵、防洪闸、出口消力池和出水渠；自排闸自内向外依次为：内河连接段、闸室、消力池和出水渠等组成。

2.地质条件分析

该排涝站工程所在地区属于一级阶地，其高度在6.33-10.22m 之间，属于冲积平原。构造运动显著，地震也常发生，属于中等程度震级，对于4 级以下的小型地震，由于地区构造稳定，不会造成大的伤害。通过勘察钻孔调查，部分区域存在溶洞，属于一般发育，发育的溶洞埋深较大，溶洞厚度较小，对场地稳定影响不大。总体来看，本场区区域构造稳定性较好，无严重地质灾害隐患或不良土层发育，场地稳定，适宜本工程的建设实施。场地内场地土的类型为中软土，建筑场地类别为Ⅱ类，地震动反应谱特征周期值调整为0.35s。该场地8km 范围内无活动断层，属于抗震有利地段，抗震稳定性较好。在基本烈度为6 度区，可不考虑饱和砂土或粉土的液化影响。

通过勘探揭露地层自上而下分别为：①填土层、②-1淤泥层、②-2 中粗砂层、③残积土层和④弱风化灰岩层。

本场区土层中①填土层性质不均匀，稳定性较差，压缩性、渗透性等土性差异较大，渗透性等级为弱～中等透水，易受水流的冲刷作用而发生坍塌等不良工程问题，未经处理一般不宜作为建筑物的天然基础持力层；②-1 淤泥力学性质较差，压缩性较大，抗冲刷能力较差，不能作为天然基础持力层；②-2 中粗砂层结构松散，厚度小，稳定性较好，抗冲刷能力较差，渗透性等级为中等-强透水，为地基中的相对透水层，承载力中等，由于埋深较大作为一般建筑物的天然地基持力层极不经济，可作为桩基础持力层；③残积土层稳定性较好，抗冲刷能力较好，渗透性等级为微～弱透水，呈可塑状态，厚度较大，承载力较高，可作为桩基础持力层；④弱风化灰岩力学强度高，是钻（冲）孔桩基础良好持力层。

3.主要建筑物防渗布置

3.1 排涝站防渗布置

电排站由内到外依次为：引渠、清污桥、前池、泵房、出水箱涵、防洪闸、出口消力池和出水渠。

电排站前池平面上呈矩形，顺水流方向长度12.00m，垂直水流方向宽度 17.10m，横断面为矩形。前池底板面高程为4.00 ～1.50m，坡比为1:4.8。前池采用整体式C25 砼U 形槽结构，左、右岸采用C25 钢筋砼边墙，厚度0.8m，墙顶高程为8.80m，底板采用C25 钢筋砼护底，厚度为0.80m，底板下设置滤层，自上而下依次为油毛毡（砼初凝后捅破）、碎石垫层厚200、中粗砂垫层厚100、反滤土工布一层（300g/m2）。滤层的作用是防止渗流出口处土体由于渗流变形或流失而引起破坏。滤层的设计，最基本要求是不允许基土流失或穿过滤层造成堵塞，从而影响滤料的透水性和被保护土的稳定性。

泵房由副厂房、主厂房和检修间组成。副厂房、主厂房和检修间平面上呈一字型布置，主厂房布置在中间，副厂房分两部分，第一部分布置在主厂房的内河侧，第二部分布置在主厂房右侧，即自排闸内河侧箱涵上部；检修间布置在主厂房和第一部分副厂房的左侧。泵房分上、中、下三层。下层为充满水的进水室，安装水泵；中层为联轴9 层；上层为电机层，安装电动机。

泵房顺水流方向长18.50m，垂直水流方向长度17.10m。水泵层底板面高程为1.50m，底板厚1.00m，共安装有3 台1400ZLB5.5-3.5 型立式轴流泵，水泵安装高程是4.60m，水泵机组中心距5.50m。联轴层地面高程为7.90m，水泵与电机的转轴通过联轴器在该层连接。联轴层设工作桥作为工作人员巡视检修水泵的通道，泵房中墩开设门字型廊道联通连轴层。电机层楼面高程11.80m，机组段的平面尺寸为17.10m×9.50m。该层安装3 台立式异步电机，型号为 YL630-16355kW，电机层上空设LDA-10t 单梁吊车，吊车梁轨道安装高程为20.00m。

电排站采用一泵一涵式出水。出水箱涵连接泵房和防洪闸，为C25 钢筋砼整体结构，顺水流方向长度为12.0m，共3 孔。泵房侧底板面高程为6.45m，边孔孔口尺寸为4.75m×2.50m，中孔孔口尺寸为5.00m×2.50m；防洪闸侧底板面高程为4.55m，孔口尺寸均为3.00m×2.50m。出水箱涵顶部填土面设砼路面和砼地面回车场。出水箱涵底板面高程为6.15 ～4.55m，坡比为1:5.8，底板底面高程为3.55m。底板厚度为1.00 ～0.60m，泵房侧底板采用空箱结构，空箱高度为0.30 ～1.80m，空箱底板厚度为0.60m，隔板和顶板厚度为0.50m。

防洪闸采用胸墙式结构，防洪闸由闸室段和涵闸段组成，顺水流方向总长度 10.00m，其中闸室段长度6.25m，涵闸段长度3.75m。闸室段垂直水流方向总宽度为13.00m，涵闸段单孔过流尺寸为3.00m×2.50m，共3 孔。闸底板面高程为 4.55m，底板厚度1.00m，10闸顶高程 11.60m，边墩厚度0.8m，中墩厚度1.2m。胸墙布置在闸门内河侧，采用“L”型实心板式结构。闸室上部布置工作桥，工作桥宽度为1.35m 和1.85m，工作桥采用板式结构。为保证防洪闸和泵房防渗地下轮廓线的长度，确保在渗透水流作用下两岸及闸基的抗渗稳定性，外河侧闸底板下设有1 排拉森-Ⅲ型钢板桩防渗墙，钢板桩嵌固于闸室底板上，桩长6.00m，桩底高程-3.00m，深于泵站基底中粗砂层底面高程-2.19m 进入相对不透水层。防洪闸兼起电排站事故断流作用，闸门采用平面钢闸门，采用快速卷扬式启闭机启闭，布置于防洪闸上方的启闭机房中。

3.2 水闸防渗布置

水闸内河护坦及翼墙和电排站引渠平行布置，底高程为4.00m，顺水流方向长25.00m，共两段。由内而外长度分别为13.00m 和12.00m。内河护坦由内向外第一段长度为13.00m，总宽为15.50m，采用分离式矩形结构，右侧为钻孔灌注桩排桩挡墙，左侧为清污桥边墩，底部为C25 砼护底，厚0.80m；第二段长度为12.00m，总宽为15.50m ～14.00m，采用分离式矩形结构，右岸为钻孔灌注桩排桩挡墙，左岸为前池U 形槽边墙，底部为C25 砼护底，厚0.80m。内河护坦底板下设置滤层，自上而下依次为油毛毡（砼初凝后捅破）、碎石垫层厚200、中粗砂垫层厚100、反滤土工布一层（300g/m2）。

自排闸为涵洞式，由闸室段和涵闸段组成，顺水流方向长22.00m，其中闸室段长度6.00m，涵闸段长度16.00m，砼强度等级为C25。闸室段垂直水流方向总净宽为12.00m，共2 孔，单孔净宽6.00m。闸底11板面高程为4.00m，底板厚度1.00m，闸墩顶高程为11.60m，高度为7.60m，两侧边墩厚0.80m，中墩厚0.80m ～1.20m。胸墙布置在闸门内河侧，采用“L”型实心板式结构。闸室上部布置工作桥，工作桥宽度为1.25m和1.85m，工作桥采用板式结构。涵闸段单孔过流尺寸为6.20m×4.00m（宽×高），共2 孔，顶板底面高程为8.00m，厚度为0.60m。箱涵顶部设砼路面和停车场，高程为11.60m。为保证闸室防渗地下轮廓线的长度，确保在渗透水流作用下两岸及闸基的抗渗稳定性，在外侧闸底板端部处设有一排拉森-Ⅲ型钢板桩防渗墙，钢板桩嵌固于闸室底板上，桩长6.00m，桩底高程-3.50m，深于闸基底中粗砂层底面高程-2.07m 进入相对不透水层。闸门采用平面钢闸门，共2 扇，卷扬式启闭机布置于自排闸上方的启闭机房中。

4.渗流分析

4.1 引水箱涵过流能力分析

进口底板高度为17.5m，出口板高度为16.4m，箱涵尺寸为3.0m×2.5m。

（1）当蓄水池高度很小时，根据输水渠道的平均流量计算，箱涵入口水最高在18.5m，为无压流隧洞，过流容量见表1。

表1 无压流箱涵过流能力计算

（2）对高水位的前调节水库进行了流型识别。①箱涵出口处的水位比箱涵洞顶部低18.9m，箱涵的相对高D=2.5m，排液面h＜D 时，箱涵流态为非淹没压力流，过流能力详见表2。②出水口深h＞D 时箱涵其流型为淹没压力流，出口水位为19.5m，其过流容量见表3。

表2 非淹没压力流箱涵过流能力计算

表3 淹没压力流箱涵过流能力计算

由以上三个计算结果可知：当上游水库水位低于19.5m 时，只要开启1 个机抽水即可满足需要，当输入的水位在19.5-20.5m 时，需要开启2 个机抽水，当输入的水位高过20.5m 时，引水渠隧道衬砌过流能力超过泵站设计方案防洪总流量11.5m3/s，需开启3台机抽排。

（3）自排过流能力计算。其中，最小的水位为17.0m，最高为21.0m。不同运行频次的外河水面自排过流容量计算详情见下表4。

表4 自排过流能力计算（淹没压力流）

由上述结果可知，当外河水与前水池的落差为1.0 时，其自排水总量达到23.8m3/s-1。

4.2 泵房分析

根据规范要求对泵房进行抗滑平稳、泵房基础地应力和泵房的抗浮稳性进行分析。根据现场地质数据，该电站泵房在较细的砂层上，其最大的容许承载量为150KPa，在混合地基和细砂层之间的摩擦力f 为0.35，在基础工作状态下，其抗滑平顺的安全因子[K]是1.25，基础上的地应力是0-150KPa，不均匀性系数和防浮性稳定安全因子[Kf]是1.10；特殊结构在工作状态下的防滑顺安全因子[K]是1.10，基础地应力是0-150kPa，不均匀性是2.5，抗浮性稳定安全因子[Kf]是1.05，对水泵室的稳定性进行了分析。计算表明：主泵房抗滑、抗浮、承载能力稳定，满足设计规范的设计。

4.3 防洪闸分析

根据《水闸设计标准》规定，闸门的稳定性和闸室基底应力容许值σ 分别为1.20 和1.10，而抗浮稳性安全因子[Kf]为1.10。地基在细砂土中，地基允许的最大承载力为150KPa，测试结果：滑动稳定的安全因子满足SL265-2016 的规定，在《水闸设计标准》中，基底应力不均性也是符合要求，并且闸门的稳定性和路基的应力都满足设计需要。

4.4 电排站渗流稳定分析

该站采用河床式布置，因此渗流稳定计算主要为基底渗流稳定计算，不需进行侧向防渗稳定计算。由于泵站前池出口底板高程与中粗砂面层高程相近，上覆淤泥层较薄，且地质钻孔涂层分界存在人为主观判别因素，偏安全起见，按建基面位于中粗砂层考虑。

电排站防渗段主要由下水道段（也就是排水段）、泵房和防洪闸段、进水前水池段（泵房上游至反滤层），依据地质调查，按照内河前池建基面位于中粗砂层的原则，应先确定出口段渗流的类型（流土型或管型）。根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487-2008，确定渗流变形的种类，并根据现场的地质情况，确定中粗砂的渗流破坏形式，并根据现场的地质情况，确定中粗砂的渗流破坏形式为过渡性。本阶段电排站渗透稳定计算方法同水闸渗流稳定计算方法，均采用规范推荐的改进阻力系数法计算，计算结果见表5。

表5 电排站渗流稳定计算成果表

电排站各工况下水平段渗透坡降均小于基底中粗砂层的水平段允许渗流坡降0.13，各工况下出口段渗透坡降段均小于基底中粗砂层的允许渗流坡降0.40，满足规范要求。

结语：

通过设置钢板桩防渗墙穿透中粗砂层进入相对不透水层、抬高渗流出口高程增加淤泥层盖重，泵站抗渗稳定得到保证。从泵站完工后连续2年的汛期试运行结果来看，排涝站运行平稳，各项数据监测正常，无渗透变形、沉降变形等现象，工程方案比较合理，对同类水利工程具有一定的借鉴意义。