张芳芳

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

灌溉排水泵站作为国民经济和社会发展的公益性基础设施，是民生水利的重要组成部分。处于江河河口位置的排涝泵站，地基多为透水性较强的砂性土层，在渗透水流作用下，其中的细小颗粒易被带走，甚至掏空，严重影响建筑物基础安全。因此，在这类地基的工程设计中，应充分重视基础防渗处理，根据站址地质条件和泵站扬程等因素，结合两岸连接结构和进出水建筑物的布置，设置合理可靠的防渗排水系统。

目前，不少学者已对建筑物基础渗流进行了不同深度的研究分析，获得了丰富的研究成果。毛昶熙[1]研究了渗流机理，建立多种数学计算模型，并以实验资料进行了验证；邢莉[2]分析了排涝泵站地基渗透破坏的机理，结合泵站加固后运行情况，验证了前池外围封闭高压摆喷防渗墙的作用；刘健等[3]以四川昭化水电站为例，采用有限单元法分析了不同尺寸防渗墙的处理效果及渗透坡降变化规律；李聪磊[4]根据工程实例，对比不同深度高压摆喷墙在透水土基中处理前后的渗流稳定计算结果，论证了落底式防渗措施的可靠性和适用性；殷清明[5]以团洲泵站为例，提出了塑性混凝土防渗墙在砂卵石地层中成墙的难点及解决办法。

然而，塑性混凝土防渗墙在大中型泵站强透水砂基防渗处理中的研究相对较少。文章将结合铜陵市郊区红旗站，通过有限元计算软件——Autobank对深厚透水砂基上的渗流特点、塑性混凝土的防渗效果进行分析，并提出合理的排水措施，进一步增强基底渗流安全。

1 工程概况

1.1 建设背景与规模

红旗闸兴建于1966年，地处陈瑶湖流域，经过多年运行，先后进行了数次加固，仍存在进出口渠道淤积、闸底渗流严重等安全隐患，工程排涝效率低，无法正常运行和发挥作用。为完善陈瑶湖流域的防洪排涝体系，减轻流域防洪压力，在红旗闸原址拆除新建铜陵市郊区红旗站。拟建站址紧靠长江左岸枞阳大堤，内侧为排涝干河。泵站工程任务以圩区排涝为主，兼顾陈瑶湖排洪，并保留相机引江灌溉功能。

红旗站设计抽排流量为48.5m3/s，设计自排流量为15.7m3/s，设计自流灌溉为2.4m3/s，装机5台套，单机功率为1200kW，总装机6000kW。泵站工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，泵房等主要建筑物级别为3级。泵站采用堤后式布置型式，顺水流向自上而下依次为排涝引水渠、拦污检修闸、前池、站身、压力水箱、排涝出水涵及防洪闸、出水消力池等。

1.2 地质条件

泵站底板建基面高程为-1.25～5.10m(吴淞高程基准，下同)，根据地质勘探试验结果，站址处建基面以下土层类型及主要参数见表1。

工程场地基本地震峰值加速度为0.1g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。根据土样液化指数判别场地液化等级为轻微，③1层砂壤土为液化土，其他为不液化土[6]。

站基座落在②层淤泥质中粉质壤土、③1层砂壤土、③层细砂上，下卧层依次为④中砂、⑤砂砾石、⑥泥质砂岩。孔隙潜水主要赋存于②层淤泥质中粉质壤土，受地表水影响变化较大；承压水则分布于③1层砂壤土、③层细砂上，下部为④层中砂、⑤层砂砾石中，与长江水联系密切。根据表1，下卧中等透水性及强透水性砂层厚度为30～40m，深厚透水砂基势必成为圩内水与外江水的联系通道，在高水头作用下将产生较强的渗透力，顶托建筑物底板，威胁站基安全稳定[2]。因此，对站基进行渗流稳定分析十分必要。

表1 红旗站站址建基面以下土层分布及参数特性表

2 渗流分析及防渗布置

2.1 站基防渗长度

泵房基底防渗长度应满足公式L=C·ΔH，式中L为站基防渗长度(m)，ΔH为上下游水位差(m)，C为允许渗径系数。站基防渗长度计算结果见表2，设计防渗长度大于计算值，满足要求。

表2 泵站基底防渗长度计算

2.2 站基渗流计算

研究泵站基础渗流问题时，可假定地基是均匀、各向同性的，渗水不可压缩，并符合达西定律[1]。站基渗流运动可用拉普拉斯方程表示：

(1)

式中，h—渗流在某点的计算水头，m，为坐标的函数，称之为水头函数；x、y—位置坐标，m。

基于上述渗流方程，选取典型工况建立模型，采用二维渗流有限元分析软件——Autobank对站基进行渗流稳定计算。为保证渗水安全排出，在前池底板水平段设置排水孔，即为渗流出口[7]。选取泵站实际运用中水头最大作为计算工况，工况1：最高水位运行期，即长江侧为最高运行水位17.10m，圩内侧为设计运行水位7.70m，水位差9.40m；工况2：前池检修期，即拦污检修闸上游为设计运行水位7.70m，闸下(前池)无水，水位差7.25m。两种工况下基底渗流出逸部位分别为前池临站身侧及临拦污检修闸侧，出口所在土层为③层细砂土，通过土样颗分曲线计算，该层不均匀系数Cu=2.0～4.3，依据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》判断其可能发生的渗透破坏类型主要为流土[6]。

站基渗流结果见表3，如图1、图2所示。根据表3数据，③细砂层、④中砂层及⑤砂砾石层地基透水性强，承压水不断从高水位一侧得到补给，渗流水力梯度小。两种工况下渗流出口段渗透坡降均远超允许值，渗透力顶托建筑物底板，可能出现流土破坏，严重威胁站基安全[8]。

图1 最高水位运行期天然地基渗流等势线

表3 站基渗流稳定计算

2.3 防渗布置

为增强站基渗流稳定，应采取适当的防渗处理措施。针对透水层较厚的水利工程，垂直截渗措施可延长渗径，降低出逸渗透坡降，效果较好。根据墙体是否深入不透水层，可分为悬挂式防渗墙与落底式防渗墙。对于深厚透水砂层，悬挂式防渗墙在一定程度上能降低出逸坡降，但不显著，难以达到设计要求，因此拟定设置落底式防渗墙[4]。其常用的处理方式主要有桩柱型(搅拌桩、高压喷射灌浆等)、地下连续墙(机械开槽灌注混凝土或黏土成墙)等[9]。搅拌桩桩长受施工工艺限制，无法满足要求；高压喷射灌浆效果易受砂土颗粒不均匀程度等土质条件影响，对孔斜率要求高。而塑性混凝土具有抗渗性能佳、可靠性高，低弹膜、与周围土体变形协调性能强，且施工简单等优点，被广泛应用于堤坝、站闸、围堰等各种水利工程地基防渗[10]。结合工程场地防震抗液化，选定前池设置塑性混凝土防渗围封墙处理方案，墙底深入砂岩层[9]。具体布置如下：

沿前池外围塑性混凝土防渗围封墙，墙体进水侧起于进水闸底板末端齿槽，出水侧止于站身底板首端齿槽，侧向沿前池翼墙前墙基础外缘，构成围封体系。墙体深入⑥泥质砂岩层不小于1m，平均深度为36m，总长度约为170m。根据抗渗及耐久性要求，并结合同一流域类似排涝泵站工程经验，确定防渗墙厚度为0.6m。

另外，为改善站基接触面渗流条件，将进水渠、拦污检修闸、站身建基面以下薄层③1砂壤土层挖除后置换为水泥土，水泥掺量10%，换填深度为1.0～1.8m。防渗墙顶部应伸入上述换填水泥土内0.7m，并覆HDPE土工膜，具体连接方式参如图3所示。

图3 防渗墙顶部连接示意图

2.4 塑性混凝土防渗墙工艺参数及截渗效果

塑性混凝土防渗墙墙体施工工序包括造孔成槽、清孔验收、水下混凝土浇筑等，操作简单、易实施[11]。红旗站防渗墙工程主要采取液压抓斗成槽，膨润土泥浆护壁等工艺[12]。其中，膨润土泥浆密度不大于1.15g/m3，马氏漏斗黏度为32～50s，含砂量不大于6%。墙体材料主要性能指标：水泥强度等级P.O42.5，水泥用量大于80kg/m3，膨润土量大于40kg/m3，水泥与膨润土的合计用量大于160kg/m3，胶凝材料总量大于240kg/m3，砂率不小于45%。围封墙段分段连接采用接头管法施工，浇筑形成的墙体应均匀、连续，不应有混浆、夹泥、孔洞等[5]。墙体28d抗压强度为1.0～5.0MPa，28d静压弹模为600～1000MPa，渗透系数K

对防渗加固后的站基建立模型进行渗流稳定分析，安全起见，防渗墙渗透系数取1.0×10-6cm/s。依据防渗加固后的渗流等势线(图4、图5)，前池外围设置防渗墙使得渗流垂直向渗径得到明显延长，墙底深入⑥泥质砂岩层，渗流水头在墙底处骤降，渗流通道基本被截断[14]，渗流出口水力坡降<0.01，截渗效果显著。因此，塑性混凝土防渗墙处理措施是行之有效、安全可靠的。

图4 最高水位运行期防渗加固后站基渗流等势线

图5 前池检修期防渗处理后站基渗流等势线

3 站基排水设计

通过以上防渗墙措施对站基进行加固后，渗流出口段水力坡降已满足设计要求。为进一步保证泵站运行期基底渗水顺畅导出，设置以下措施[15]：

(1)前池平底段33.75m长范围内布置DN100排水孔，孔距为1.5m，平面呈梅花形；并在相应位置设置反滤层，自下而上分别为0.3m厚中粗砂、0.25m厚瓜子片、0.25m厚碎石，反滤层下覆土工布，以防地基土细颗粒被渗水带走[16]。

(2)前池内布置24口φ500排水砂井浅井(梅花形)，井底深入砂层5m，以便将砂层承压水充分导出。砂井顶部高出底板顶面高程0.3m，安置活动板，防止井口淤堵，便于检修。另外，结合施工期基坑降水，在前池布设排水深井[17]。

(3)前池两岸翼墙底板以上1.5m处设置排水孔，竖向间距为2m，可布设多层，水平向间距亦为2m，总体呈梅花形布置，以降低运行期墙后水位，削减侧向绕渗。排水孔后统一设置反滤料。

4 结语

(1)砂土地基上的建筑物底板易发生渗透破坏，应结合工程特点、地质条件、上下游水位差，并考虑施工条件等因素，综合分析选定适当的防渗处理方式。

(2)目前，红旗站防渗墙墙体工程已实施完毕，成功通过了深基坑渗水的考验，初步验证了前池设置塑性混凝土防渗围封墙、渗流出口设置反滤等防渗排水措施的有效性[18]。以上措施将为排涝、排洪泵站，水闸等工程中透水地基的防渗排水、基坑降水及抗液化等问题提供重要的借鉴意义。

(3)文章主要采用有限单元法对站基进行渗流稳定分析设计，后期项目完工投入运用后，应收集各工况前池渗流坡降等资料，进一步佐证设计措施的可靠性。