引江济淮工程凤凰颈泵站基坑渗流参数测定及渗控方案优化

摘 要：闸站基坑开挖过程中的降水问题重要且复杂。以引江济淮工程凤凰颈改造工程为研究对象，采用现场试验和数值模拟方法，系统分析了基坑降水过程中的渗流问题。基于现场抽水试验数据获取基坑主要含水层水文地质参数，构建了工程区三维渗流模型，对施工期防渗墙封闭前后两个阶段的基坑降水方案开展优化研究，确定了防渗墙和降水井的布置形式。结果表明：工程区主要含水层渗透系数为1.5×10-2 cm/s，防渗墙封闭前的纯降水阶段基坑涌水量为14 532 m3/d；防渗墙封闭后的墙+井渗控阶段基坑涌水量为9 299 m3/d，主要来自墙外降水。解析解和三维渗流模型计算结果相互验证，表明计算结果可信度较高。本研究可为闸站基坑降水方案的优化提供思路和范例。

关键词：引江济淮工程；抽水试验；渗流控制；数值模型

中图分类号：TV223.4 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文献标志码：A

0 引 言

引江济淮工程从长江下游引水，向皖豫两省淮河中游地区补水，其中，西兆河引江线路自凤凰颈泵站经西河、兆河入巢湖。为满足引江能力要求，需对凤凰颈泵站进行机组更新改造和土建结构扩建。改造工程将对原泵站前池底板进行拆除，并开挖深度近20 m的基坑，开挖过程中将揭露地基下由砂、砾、卵石层构成的强透水层，渗流控制难度较大，保障施工期基坑安全和防洪安全是工程实施前需要研究解决的重要技术难题。

已有研究对于各类基坑降水方案分析较多。丁金华等[1]对兴隆水利枢纽深基坑开挖过程中的降水过程开展了三维稳定流及非稳定流的计算分析。倪才胜[2]对广东省惠州市剑潭水利枢纽厂房基坑开挖过程中基坑渗流进行研究，分析了稳定渗流时的浸润面和基坑渗水量，并对由渗流引起的开挖边坡稳定性问题进行了探讨。吴梦喜等[3]提出了大坝施工与运行全过程中渗流与变形耦合的有限元仿真方法，并将其应用于金沙江某闸坝的地基处理中。王婷婷[4]以天津滨海新区欣嘉园配套工程为例，构建地下水三维渗流-沉降耦合模型，预判施工降排水造成的地下水位动态变化和地面沉降量。刘凌晖等[5]采用有限差分法分析了半封闭基坑的降水渗流特征，并对地层渗透性帷幕嵌入深度、含水层厚度、降水井滤管长度与帷幕阻隔效应的耦合关系进行了系统分析。郑刚等[6]以天津地铁5号线某车站基坑工程为背景，通过对预降水试验进行数据分析，给出了在复杂地层中基坑降水引发的地面控制对策。高旭等[7]以武汉长江航运中心深基坑为实例，概化其水文地质模型，以现场抽水试验数据分析止水帷幕的止水效果，提出了止水帷幕条件下的深基坑降水预测的解析算法。

相较于一般的市政和建筑基坑，闸站基坑位于河道之上，下伏地质条件复杂，加之周边地下水补给量大，基坑渗流控制难度普遍较大。在保障渗流安全的前提下，提出可行性高、经济性好的渗流控制方案，是当前及未来闸站基坑建设中的一大难点。本文在已有研究及前期工作的基础上[8]，以凤凰颈泵站改造工程为背景，采用现场抽水试验方法完成了工程区主要水文地质参数的测定，率定三维渗流模型，确保模型结果能够反映工程实际情况。同时，基于三维渗流计算开展基坑渗流控制方案研究，优化地基截渗和基坑降排水措施，确定基坑防渗墙封闭前后两个阶段的降水井数目及位置分布，以保障工程安全。研究结果可为今后的闸站基坑降排水设计提供参考。

1 工程概况及水文地质条件

凤凰颈泵站位于安徽省芜湖市无为县刘渡镇，凤凰颈泵站改造工程是安徽省引江济淮的龙头工程。该工程改造原排灌站泵房以重建泵站的进、出水通道及防洪闸，承担长江侧防洪和施工期挡水任务。工程将对原泵站前池底板进行拆除，开挖深度近20 m基坑，建设新泵站压力水箱、泵房和前池。为保障干地施工，基坑工程的降水任务共分为两个阶段：第一阶段在枯水期实施，为防渗墙封闭前的纯降水阶段，仅依靠降水井将主基坑范围内的地下水位控制在-6.0 m以下，以保障前池底板拆除工作的干地施工条件；第二阶段为防渗墙封闭后的墙+井渗控阶段，采用防渗墙+降水井的方式将基坑范围内全年的地下水位控制在-10.0 m以下，将老泵房底部的地下水位降至-7.0 m以下，保障压力箱涵和泵房等的建设。

工程区位于长江左岸，以河湖相冲积平原为主，主要地层分布见图1。根据勘探资料和室内试验结果资料分析，各土层主要参数取值见表1。工程区地下水主要为孔隙承压水，水头受江河水位影响。地下水主要赋存于相对隔水层下部的②4层粉细砂、③层细砂和⑤2层中细砂夹砾石中。

2 基于现场抽水试验的工程区渗透系数测定

基于抽水试验数据计算工程区主要含水层的渗透系数，用于率定三维渗流模型参数，为基坑降水方案的优化布置提供依据。由于在降水过程中无法细分某一地层，因此将②4层粉细砂、③层细砂和⑤2层中细砂夹砾石均概化为工程区主含水层。

抽水试验井共布置9口（其中抽水井兼观测井3口，观测井6口）。9口井沿基坑开挖线的一侧布置，井列轴线与无为大堤大致垂直，各井间的位置关系见图2。抽水井编号为2#、5#、8#（兼做观测井），井深为40 m（井底高程-30 m）。其余6口为观测井，井深为25 m（井底高程-15 m）。

第一组单孔抽水试验以2#井为抽水孔进行稳定流抽水，其余为观测孔。试验采取三级降深，降深从小到大进行，每级降深稳定持续时间约6 h。抽水试验过程曲线见图3。其中S1—S3为三阶段的井中水位降深，Q1—Q3为对应三个阶段的出水量。

2#抽水井内水位降深随着出水量的增加而逐渐增加，最终在泵的最大出水量为81.02 m3/h时，最大降深达4.48 m。其余各观测井最大降深在0.53～1.31 m之间。

根据《水电工程钻孔抽水试验规程》（SL320—2005），首先考虑利用单孔观测资料进行计算，采用斯卡巴拉诺维奇公式和巴布什金公式求解相关参数。其中斯卡巴拉诺维奇公式适用于潜水含水层且抽水过滤器位于含水层中部的条件，计算公式如下：

式中：K为含水层渗透系数；R为影响半径（m）；r为抽水孔滤管半径（m）；S为抽水井内水位降深（m）；Q为抽水井出水量（m3/h）；l为滤管长度（m）。

巴布什金公式（式（3））适用于求解承压水、潜水单孔抽水试验的渗透系数。

利用式（1）、式（3）进行单孔抽水试验的渗透系数计算，结果见表2。

根据单孔抽水计算结果，含水层渗透系数变化不大，在8.82×10-3～ 1.43×10-2 cm/s之间。

之后考虑采用多孔观测资料计算方法，根据两口不同距离的观测井水位降深来计算含水层渗透系数K，采用吉林斯基公式（式（4））求解渗透系数。

式中：r1为1#观测井中心距抽水井中心距离（m）；r2为2#观测井中心距抽水井中心距离（m）；S1为1#观测井水位降深（m）；S2为2#观测井水位降深（m）。计算结果见表3。

根据两口观测井3次降深的计算结果，含水层渗透系数比单孔抽水计算结果略大，在1.52×10-2～2.62×10-2 cm/s之间。

按照上述计算过程对以8#井为抽水孔的试验数据进行计算，得到工程区主含水层渗透系数在1.05×10-2～2.46×10-2 cm/s 之间。

之后开展了群井抽水试验，验证各井降水时的叠加效应。将2#、5#、8#井按最大出水量同时抽水，抽水时间持续24 h，累计抽水8 484 m3。按抽水井布置轴线，将各井内最大降深分布绘于图4。由图4可见，抽水前场区地下水位起伏不大。当三口井同时抽水时，各抽水井及观测井内降深明显大于单井抽水时的降深，井群叠加效果较明显。根据群井降水试验的观测结果计算工程区主含水层渗透系数，结果在0.98×10-3～1.62×10-2 cm/s，井群与单井降水试验的计算结果相差不大。

综合以上结果可知，采用不同解析方法进行渗透性计算时，结果规律性较好，计算的渗透系数变化范围小。细砂层渗透系数为10-3～10-2 cm/s量级，建议取值为1.5×10-2 cm/s。在群井抽水时，井群叠加效果较明显。

3 三维渗流模型构建及基坑渗控方案论证

3.1 三维渗流模型的构建

工程区基坑开挖范围顺西河河道方向约为135 m，垂直于河道方向约为150 m。为消除边界范围对计算结果的影响，模型计算范围取基坑开挖范围的10倍。同时，由于泵站距离长江较近，已有资料显示基坑处地下水与长江水力联系密切，因此，将模型计算范围的右侧边界延长至长江江心处。

模型建模范围见图5。四周边界条件均为给定水头。右侧边界BC给定为长江水位，并下切至-16 m高程至③层细砂含水层。左侧边界A点和D点为该处的地下水水位，取10 m。EF段水位取西河水位。长江和西河水位取枯水期10 a一遇水位，分别为9.85 m和8.55 m。根据钻孔情况构建工程区三维地质模型，在此基础上构建了地下水数值模拟模型。利用有限差分方法对模型进行网格剖分，对基坑附近网格进行了加密，共剖分有效网格52.74万个。

模型参数赋值参考现场抽水试验计算结果（见表1），其中模型的渗透系数取值与地质建议值基本相同。顶部的淤泥质重粉质壤土岸上和河道中的渗透系数建议值相差不大，在模型中进行概化处理。而②4层粉细砂、③层细砂和⑤2层中细砂夹砾石的渗透系数由抽水试验结果获取，与地质建议值有一定的出入，但模型按实际的野外试验情况来赋值，更能反映基坑工程区的水文地质参数情况，其他地层的模型参数取值与地质建议值一致。利用率定后的三维渗流模型，对防渗墙封闭前后两个阶段的渗流控制方案布置开展计算分析，并进行合理优化。

3.2 防渗墙封闭前的基坑降水方案

在纯降水阶段，为保证拆除老站前池护坦混凝土和前池翼墙混凝土的工程安全，顺利完成管桩和灌注桩的施工，需要将主基坑范围内的地下水位降至

-6.0 m高程以下。在三维计算中，长江和西河水位取10月到次年5月（枯水期）10 a一遇水位。通过合理布置降水井，将主基坑范围内的地下水位降至目标高度。根据反复优化，最终确定采用12口井深为40 m的降水井，井位布置见图6，渗流场计算结果见图7。基坑总抽水量为14 532 m3/d，平均单井抽水量为1 211 m3/d。在该方案下，各降水井中水位降至-9.5 m。

利用解析解对基坑降水涌水量进行了估算，含水层基坑降水影响半径计算见式（2）。当工程区主含水层渗透系数取1.5×10-2 cm/s时，根据式（2）计算得到在纯降水阶段，基坑降水的影响半径约为504 m。

承压含水层基坑涌水量计算公式如下：

式中：q为基坑涌水量（m3/h）；M为含水层厚度（m）；r0为基坑计算半径（m）。

由式（5）计算得到，在防渗墙封闭前的纯降水阶段，基坑涌水量约为15 494 m3/d。对比解析解的涌水量计算结果与三维渗流计算结果，二者仅相差6.2%，表明三维渗流计算的结果可靠性较高。

3.3 防渗墙封闭后的防渗墙+降水井的渗控效果复核计算

在工程第二降水阶段，为保证凤凰颈新站及压力箱涵基坑开挖、站身底板混凝土浇筑、新老混凝土搭接施工顺利完成，需将主基坑范围内地下水位降至-10.0 m高程以下，老泵房和长江侧防渗墙连接处地下水位降至-7.0 m以下。长江和西河水位取全年10 a一遇水位。经过多个方案的计算和优化，得到降水井布置方案（见图8）和渗流的平面计算结果（见图9）。采用11口40 m深的降水井，防渗墙深度42 m。

在该方案条件下，基坑总抽水量为9 299 m3/d。其中防渗墙内基坑总抽水量为802 m3/d，平均单井抽水量为267 m3/d，井中水位降至-10.5 m。防渗墙外总抽水量为8 497 m3/d，平均单井抽水量为1 062 m3/d，井中水位降至-9.2 m。该方案仅利用11口降水井即可完成第二阶段的降水目标，所需降水井数少，整体投入小，并留有一定的渗流安全余度，可以用作防渗墙+降水井渗控的推荐方案。

综合3.2节和3.3节的研究，推荐采用井深为40 m的降水井、墙深为42 m的防渗墙进行渗流控制。降水井布置方案如图10所示，剖面图如图11所示。推荐降水方案共需布置降水井22口，防渗墙内布井14口（包括B1和B2两口备用井），防渗墙外布井8口。在防渗墙还未形成的基坑初期降水阶段，采用防渗墙内的P1至P12进行基坑降水（B1、B2井备用），可将基坑水位降至-6 m以下。在42 m深的防渗墙构建完成后的第二阶段基坑降水阶段，由防渗墙内3口井（P2、P5、P8）和防渗墙外8口井参与降水，可将主基坑水位降至-10 m以下，将老泵房和长江侧防渗墙连接处地下水位降至-7.0 m以下。

4 结 论

本研究综合运用现场试验和数值计算的方法对凤凰颈基坑降水过程中的渗流问题展开系统分析。采用野外抽水试验方法确定主含水层水文地质参数，基于三维渗流计算，对凤凰颈泵站改造工程基坑防渗墙封闭前后两个阶段的地下水控制方案开展研究，综合考虑工程经济性和施工便捷性，提出了推荐降水方案。主要研究结论如下。

（1）经过单井及群井降水试验计算分析，得到工程区主要含水层的渗透系数为10-3～10-2 cm/s量级，建议取值为1.5×10-2 cm/s。群井降水试验时，各观测井内降深明显大于单井抽水时的降深，井群叠加效果较明显。

（2）在防渗墙封闭前，采用12口井深40 m的降水井，经过合理布置可以将主基坑水位降至-6 m以下，保障基坑前池底板拆除工作顺利进行。在江河水位取枯水期10 a一遇的水位条件下，基坑总涌水量为14 532 m3/d。

（3）在完成防渗墙四周封闭后，利用11口降水井进行基坑渗流控制，可将主基坑水位降至-10 m以下，将老泵房底部的地下水位降至-7.0 m以下。在江河水位取全年10 a一遇的水位条件下，基坑总涌水量为9 299 m3/d。

（4）在防渗墙封闭前的纯降水阶段，采用解析解计算得到的基坑涌水量和三维渗流模型计算结果偏差仅为6.2%。二者相互验证，表明三维模型计算结果可信度较高。

参考文献：

[1] 丁金华，张伟，陈劲松. 兴隆水利枢纽深基坑开挖中的降水计算分析[C]// 水工渗流研究与应用进展：第五届全国水利工程渗流学术研讨会论文集. 南京：中国水利学会岩土力学专业委员会，中国水利学会工程管理专业委员会，2006：141-146.

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Measurement of Seepage Parameters and Optimization of Seepage Control Plan for the Foundation Pit of Fenghuangjing Pump Station in Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project

FAN Yue1，WANG Maosong2，ZHANG Wei1，CUI Haodong1，CHEN Jinsong1

（1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Anhui Survey amp; Design Institute of Water Resources amp; Hydropower Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract：The dewatering problem in the excavation process of the foundation pit is important and complicated. This paper takes the Fenghuangjing Pump Station reconstruction in Yangtze-to-Huaihe Water Diversion，systematically analyzes the seepage problem in foundation pit dewatering through field tests and numerical simulation. Based on on-site pumping test data，the hydrogeological parameters of main aquifer in foundation pit are obtained，and a three-dimensional seepage model for the project area is constructed. The optimization research of the foundation pit dewatering plan before and after the closure of cut-off wall during construction period is carried out，and the layout forms of cut-off wall and dewatering wells is finally determined. The results show that the permeability coefficient of main aquifer in project area is 1.5×10-2 cm/s，the drainage volume of foundation pit before the closure of cut-off wall is" 14 532 m3/d. While after the closure of cut-off wall，with the seepage control scheme of cut-off wall and dewatering wells，the drainage volume is 9 299 m3/d，primarily coming from the precipitation outside the wall. The analytical solution and the calculation results from the three-dimensional seepage model are well consistent，indicating the high credibility of the calculation results. This study provides insight and example for optimizing the dewatering plan design of foundation pits in sluice station.

Key words：Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project；pumping test；seepage control；numerical model