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摘要：佛山某泵站在汛期泵房进水前池发生管涌破坏。本文通过有限元计算对强透水地基泵站，进水前池管涌发生的原因进行分析，并对不同位置的减压井布设方案的降水效果进行比较，计算表明：进水前池前侧布井降水效果优于后侧布井方案，内侧布井方案降水效果优于外侧布井方案。
关键词：强透水地基；进水前池；渗流；减压井布置位置
Abstract: a pump station in flood season in foshan water pump room before happened pool destruction of the piping. This article through the finite element calculation of strong water foundation pump station, before the water piping pool happened analysis of the causes, and to different locations of the relief Wells layout scheme comparison of precipitation effect, calculations show that: water pool well before the side effect is better than that of precipitation cloth behind cloth well scheme, inside cloth precipitation effect is better than that of the lateral Wells scheme cloth well scheme.
Keywords: strongly permeable foundation; Before the water pool; Seepage; Reducing pressure Wells decorate position
中图分类号：TV675文献标识码：A文章编号：
1引言
某泵站位于佛山市禅城区，濒临吉利水道。泵站建设时，为了施工止水方便，在拦污栅处设置了防渗截墙，并在泵室进口前池-4.21m水平段内设置了3个采用反滤及格网处理的预留孔作为集水井。2008年汛期，泵站前池拦污栅护坦与斜坡顶接缝处出现两处管涌，采用反滤砂石料及砂包填压度汛后，清除填压砂石料发现护坦和斜坡段底板上抬，3个集水井均出现管涌，清理时有水带砂涌出。
本文通过有限元计算对强透水地基泵站进水前池管涌发生的原因进行分析，并对不同的减压井布设方案进行比较，给出较为合理的抗渗加固方案。
2地质条件
泵站场址在地貌上属于珠江三角洲冲积平原腹地，地形平坦开开。场地之地基由人工填土（Qs）、第四系三角洲海陆交互冲淤积层（Qmc）组成。
（1）人工填土（Qs）
筑填土：多为人工筑填的堤身上，层厚1.5～9.8m。筑填土呈黄褐色、灰褐色、灰白色、褐红色等，由粉细砂、粉质粘土、粉土等组成。
（2）第四系三角洲海陆交乎相冲淤层（Qmc）
第四系三角洲海陆交互冲淤积层主要由不同粒级砂土、淤泥质土、粉质粘土等组成。各种土的工程地质特性从上至下分述如下：
粉质粘土：分布不连续，层厚约0.6～4.1m；该土呈灰褐色，饱和，软塑。
淤泥质土：分布不连续，厚度2.5～10.2m；该土呈灰色，深灰色，流塑。
粉砂：为场地内较浅部含水层。厚度变化较大，层厚1.7～8.9m；该砂呈灰色，灰绿色，饱和，稍密。
细砂，局部中砂：为场地内较深部含水层。厚度变化较大，厚2.0～11.0m；该砂呈灰色，灰绿色，饱和中密。
中砂：该层位于深层土中，为场地深层主要含水层。揭露厚度变化较大，厚度在18.80～31.20m之间。该砂呈灰绿色，饱和中密，含较多粗砂粒砂、砾，底部含少量卵砾石。
砾砂夹层：为场地内深部主要含水层。夹于中砂层中，厚薄不一，厚2.3～4m。该层呈灰黄色，灰绿色，饱和，密实。其内又夹多层薄层粉砂，靠底部含砾石增多。
3有限单元法计算分析
3.1 计算方法
计算采用根据地层特点，渗流计算采用曹洪博士开发的水平二向渗流有限元计算程序[1]，该程序适用于地层强透水层与弱透水层相间的区域地下水渗流场的分析计算，层数最多为四层，计算范围可达数公里，可方便计算地层地下水位壅高情况，并考虑防渗墙，集水井等对前池内水头分布的影响。
根据泵站展区平面图，计算区域划分如下：东起吉列涌中心，往西360m，至河道中心，沿泵站轴线往北50 m，南170 m。从地表面往下计算至高程-44m。详见下图3.1。
图3.1泵站计算区域示意图
3.2 计算参数的选择
工程各层渗透系数根据工程报告提供的渗透参数进行选取，见表3.1.
表3.1参数选取
土质 计算选取渗透参数（cm/s）
筑填土 2.39E-07
粘土 4.55E-07
淤泥质土 7.16E-07
粉砂 9.50E-04
细/中砂 1.06E-02
防渗墙 1.00E-07
混凝土板 1.00E-07
3.3 出险原因分析
计算还原施工期间管涌发生时渗流场，给出底板的实际水头分布和临界状态水头。计算表明：
（1）泵站渗流场分布
泵站的整体渗流场分布情况为临吉利涌一方为河水大范围入渗，而堤内进水前池外局部区域挖穿覆盖层出水，详见图3.2。
图3.2出险状态水头分布图
（2）管涌原因
根据计算，进水前池斜坡段底板厚度为0.4m，按有效重度15kN/m3计，下游水位0.8m时，板底与板面的临界水头差为1.4m，出险工况，计算水头值在2.1～2.3m之间。因此，斜坡段底板浮起。
同时，在集水井中心附近0.7m范围内，水头差最高有1m，而反滤层厚度只有0.7m，垂直水力坡降为1.43，因此发生急剧喷砂现象。集水井处反滤层管涌安全系数计算结果见表3.2。
表3.2 集水井反滤层安全系數计算成果表
反滤层厚度 砂层水头 内水位 水头差 安全系数
（m） （m） （m） （m） K
0.7 1.8 0.8 1 0.7
（3）集水井和防渗截墙的影响
集水井对进水前池有一定减压作用。但集水井附近会形成较大的水力坡降，容易发生管涌。防渗截墙会涌高前池水头。防渗截墙和集水井对前池的抗浮都是不利的。需对前池的集水井进行封堵，防渗截墙较难处理，可以保留。
4进水前池降水方案
由于泵房地基砂层较厚，采用防渗墙截断砂层造价较高，考虑抗渗加固及长期运行需求，采用减压井降水方案。减压井采用Φ300 PVC管作排水管，排水管深至中砂层，根据地质资料，-10m以上为粉砂或细砂，-10m以下为中砂或砾砂，滤管范围在-10～-25m之间，井口高程0.8m。分别对内侧和外侧的布井方案进行比较。
（1）进水前池内侧布井方案
采用两排16口减压井，分别对三种布井方案进行比选：①方案一：两排减压井均布设于进水前池后端的-4.21m平台布置；②方案二：在-4.21m平台和-1.5m平台各布设一排减压井。③方案三：两排减压井均布设在进水前池前端的-1.5m平台。见下图。
图4.1内侧减压井布置方案
根据计算，将三种方案下泵站纵轴线（见图3.1）的水头曲线进行对比，减压井布设于-1.5m平台（方案一）时，降水效果较差；方案二和方案三的降水效果均较理想，其中方案三整体降水效果最好，除了较少段落水头高于临界水头外，其余段落水头基本不超过临界水头，满足抗渗要求。
图4.2内侧布置减压井方案效果对比
这表明，原在-4.21m平台处的三口集水井的布设位置是合理的。但集水井为浅层降水措施，降水强度不够时，会出现较大降水漏斗，而导致管涌发生。实践表明前池内采用大面积排水沟[2]，或大面积减压塘[3]进行导渗，可取得较好减压效果。
（2）进水前池外侧布井方案
在进水前池两侧各布设一排减压井，分别对两种布井方案进行比较：①方案四：两排减压井沿进水前池两侧布置；②方案五：两排减压井在进水前池前端布置。见下图。
图4.3外侧减压井布置方案
图4.4 内外侧布置减压井方案效果对比
根据计算，同样的井距和个数的减压井，布设位置靠前的方案五减压效果明显优于方案四。但在进水前池-4.21m平台附近，方案五的降水效果不如内侧布置的方案三。
（3）方案推荐
根据前面的方案比选，进水前池采用减压井进行减压降水，内侧布井方案的降水效果优于外侧布井方案。但是从工程的长期运行考虑，采用内侧布井，减压井容易被杂物堵塞。无论哪种方案，单纯靠减压井降水，都无法完全满足降水要求。因此推荐采用外侧布井方案，同时还需加厚前池结构底板，方可满足抗渗要求。
5结论
通过有限元计算对强透水地基泵站进水前池管涌发生的原因进行分析，并对不同的减压井布设方案进行比较，得出以下结论：
①原布设于进水前池-4.21m平台的集水井布置位置是合理的，但数量不够。同时由于集水井为浅层降水措施，降水強度不够时，容易导致集水井附近出现较大降水漏斗，而发生管涌。因此，建议采用深层降水措施－减压井进行降水。
②对于强透水地基的进水前池抗渗问题，采用减压措施进行降水时，不论在内侧还是外侧布井，减压井应在进水前池前端布置，可取得较好的降水效果。
③从降水效果而言，内侧减压井布设方案优于外侧减压井布设方案，但是采用内侧布井，减压井容易发生堵塞而失效，因此一般采用外侧布井方案。
④就本泵站而言，单纯采用减压井降水，不能完全满足抗渗要求，还需采用加重进水前池底板等措施进行加固。推荐的抗渗加固方案为：采用在进水前池两侧靠前端布井，同时加重进水前池底板。
参考文献(References)：
曹洪. 多层强透水地基渗流计算的应用研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（7）：1185~1190
程晓鸣，刘正军，常玉龙.无为大堤水家楼站闸泵站前池地基排水减压沟设计[J]. 水利水电工程设计，2007，26（4）：10~11.
谈松曦，王力理，丁美松.新河口泵站前池加固措施及其效果[J].人民长江，2001，32（4）：12~13
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：强透水地基；进水前池；渗流；减压井布置位置
Abstract: a pump station in flood season in foshan water pump room before happened pool destruction of the piping. This article through the finite element calculation of strong water foundation pump station, before the water piping pool happened analysis of the causes, and to different locations of the relief Wells layout scheme comparison of precipitation effect, calculations show that: water pool well before the side effect is better than that of precipitation cloth behind cloth well scheme, inside cloth precipitation effect is better than that of the lateral Wells scheme cloth well scheme.
Keywords: strongly permeable foundation; Before the water pool; Seepage; Reducing pressure Wells decorate position
中图分类号：TV675文献标识码：A文章编号：
1引言
某泵站位于佛山市禅城区，濒临吉利水道。泵站建设时，为了施工止水方便，在拦污栅处设置了防渗截墙，并在泵室进口前池-4.21m水平段内设置了3个采用反滤及格网处理的预留孔作为集水井。2008年汛期，泵站前池拦污栅护坦与斜坡顶接缝处出现两处管涌，采用反滤砂石料及砂包填压度汛后，清除填压砂石料发现护坦和斜坡段底板上抬，3个集水井均出现管涌，清理时有水带砂涌出。
本文通过有限元计算对强透水地基泵站进水前池管涌发生的原因进行分析，并对不同的减压井布设方案进行比较，给出较为合理的抗渗加固方案。
2地质条件
泵站场址在地貌上属于珠江三角洲冲积平原腹地，地形平坦开开。场地之地基由人工填土（Qs）、第四系三角洲海陆交互冲淤积层（Qmc）组成。
（1）人工填土（Qs）
筑填土：多为人工筑填的堤身上，层厚1.5～9.8m。筑填土呈黄褐色、灰褐色、灰白色、褐红色等，由粉细砂、粉质粘土、粉土等组成。
（2）第四系三角洲海陆交乎相冲淤层（Qmc）
第四系三角洲海陆交互冲淤积层主要由不同粒级砂土、淤泥质土、粉质粘土等组成。各种土的工程地质特性从上至下分述如下：
粉质粘土：分布不连续，层厚约0.6～4.1m；该土呈灰褐色，饱和，软塑。
淤泥质土：分布不连续，厚度2.5～10.2m；该土呈灰色，深灰色，流塑。
粉砂：为场地内较浅部含水层。厚度变化较大，层厚1.7～8.9m；该砂呈灰色，灰绿色，饱和，稍密。
细砂，局部中砂：为场地内较深部含水层。厚度变化较大，厚2.0～11.0m；该砂呈灰色，灰绿色，饱和中密。
中砂：该层位于深层土中，为场地深层主要含水层。揭露厚度变化较大，厚度在18.80～31.20m之间。该砂呈灰绿色，饱和中密，含较多粗砂粒砂、砾，底部含少量卵砾石。
砾砂夹层：为场地内深部主要含水层。夹于中砂层中，厚薄不一，厚2.3～4m。该层呈灰黄色，灰绿色，饱和，密实。其内又夹多层薄层粉砂，靠底部含砾石增多。
3有限单元法计算分析
3.1 计算方法
计算采用根据地层特点，渗流计算采用曹洪博士开发的水平二向渗流有限元计算程序[1]，该程序适用于地层强透水层与弱透水层相间的区域地下水渗流场的分析计算，层数最多为四层，计算范围可达数公里，可方便计算地层地下水位壅高情况，并考虑防渗墙，集水井等对前池内水头分布的影响。
根据泵站展区平面图，计算区域划分如下：东起吉列涌中心，往西360m，至河道中心，沿泵站轴线往北50 m，南170 m。从地表面往下计算至高程-44m。详见下图3.1。
图3.1泵站计算区域示意图
3.2 计算参数的选择
工程各层渗透系数根据工程报告提供的渗透参数进行选取，见表3.1.
表3.1参数选取
土质 计算选取渗透参数（cm/s）
筑填土 2.39E-07
粘土 4.55E-07
淤泥质土 7.16E-07
粉砂 9.50E-04
细/中砂 1.06E-02
防渗墙 1.00E-07
混凝土板 1.00E-07
3.3 出险原因分析
计算还原施工期间管涌发生时渗流场，给出底板的实际水头分布和临界状态水头。计算表明：
（1）泵站渗流场分布
泵站的整体渗流场分布情况为临吉利涌一方为河水大范围入渗，而堤内进水前池外局部区域挖穿覆盖层出水，详见图3.2。
图3.2出险状态水头分布图
（2）管涌原因
根据计算，进水前池斜坡段底板厚度为0.4m，按有效重度15kN/m3计，下游水位0.8m时，板底与板面的临界水头差为1.4m，出险工况，计算水头值在2.1～2.3m之间。因此，斜坡段底板浮起。
同时，在集水井中心附近0.7m范围内，水头差最高有1m，而反滤层厚度只有0.7m，垂直水力坡降为1.43，因此发生急剧喷砂现象。集水井处反滤层管涌安全系数计算结果见表3.2。
表3.2 集水井反滤层安全系數计算成果表
反滤层厚度 砂层水头 内水位 水头差 安全系数
（m） （m） （m） （m） K
0.7 1.8 0.8 1 0.7
（3）集水井和防渗截墙的影响
集水井对进水前池有一定减压作用。但集水井附近会形成较大的水力坡降，容易发生管涌。防渗截墙会涌高前池水头。防渗截墙和集水井对前池的抗浮都是不利的。需对前池的集水井进行封堵，防渗截墙较难处理，可以保留。
4进水前池降水方案
由于泵房地基砂层较厚，采用防渗墙截断砂层造价较高，考虑抗渗加固及长期运行需求，采用减压井降水方案。减压井采用Φ300 PVC管作排水管，排水管深至中砂层，根据地质资料，-10m以上为粉砂或细砂，-10m以下为中砂或砾砂，滤管范围在-10～-25m之间，井口高程0.8m。分别对内侧和外侧的布井方案进行比较。
（1）进水前池内侧布井方案
采用两排16口减压井，分别对三种布井方案进行比选：①方案一：两排减压井均布设于进水前池后端的-4.21m平台布置；②方案二：在-4.21m平台和-1.5m平台各布设一排减压井。③方案三：两排减压井均布设在进水前池前端的-1.5m平台。见下图。
图4.1内侧减压井布置方案
根据计算，将三种方案下泵站纵轴线（见图3.1）的水头曲线进行对比，减压井布设于-1.5m平台（方案一）时，降水效果较差；方案二和方案三的降水效果均较理想，其中方案三整体降水效果最好，除了较少段落水头高于临界水头外，其余段落水头基本不超过临界水头，满足抗渗要求。
图4.2内侧布置减压井方案效果对比
这表明，原在-4.21m平台处的三口集水井的布设位置是合理的。但集水井为浅层降水措施，降水强度不够时，会出现较大降水漏斗，而导致管涌发生。实践表明前池内采用大面积排水沟[2]，或大面积减压塘[3]进行导渗，可取得较好减压效果。
（2）进水前池外侧布井方案
在进水前池两侧各布设一排减压井，分别对两种布井方案进行比较：①方案四：两排减压井沿进水前池两侧布置；②方案五：两排减压井在进水前池前端布置。见下图。
图4.3外侧减压井布置方案
图4.4 内外侧布置减压井方案效果对比
根据计算，同样的井距和个数的减压井，布设位置靠前的方案五减压效果明显优于方案四。但在进水前池-4.21m平台附近，方案五的降水效果不如内侧布置的方案三。
（3）方案推荐
根据前面的方案比选，进水前池采用减压井进行减压降水，内侧布井方案的降水效果优于外侧布井方案。但是从工程的长期运行考虑，采用内侧布井，减压井容易被杂物堵塞。无论哪种方案，单纯靠减压井降水，都无法完全满足降水要求。因此推荐采用外侧布井方案，同时还需加厚前池结构底板，方可满足抗渗要求。
5结论
通过有限元计算对强透水地基泵站进水前池管涌发生的原因进行分析，并对不同的减压井布设方案进行比较，得出以下结论：
①原布设于进水前池-4.21m平台的集水井布置位置是合理的，但数量不够。同时由于集水井为浅层降水措施，降水強度不够时，容易导致集水井附近出现较大降水漏斗，而发生管涌。因此，建议采用深层降水措施－减压井进行降水。
②对于强透水地基的进水前池抗渗问题，采用减压措施进行降水时，不论在内侧还是外侧布井，减压井应在进水前池前端布置，可取得较好的降水效果。
③从降水效果而言，内侧减压井布设方案优于外侧减压井布设方案，但是采用内侧布井，减压井容易发生堵塞而失效，因此一般采用外侧布井方案。
④就本泵站而言，单纯采用减压井降水，不能完全满足抗渗要求，还需采用加重进水前池底板等措施进行加固。推荐的抗渗加固方案为：采用在进水前池两侧靠前端布井，同时加重进水前池底板。
参考文献(References)：
曹洪. 多层强透水地基渗流计算的应用研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（7）：1185~1190
程晓鸣，刘正军，常玉龙.无为大堤水家楼站闸泵站前池地基排水减压沟设计[J]. 水利水电工程设计，2007，26（4）：10~11.
谈松曦，王力理，丁美松.新河口泵站前池加固措施及其效果[J].人民长江，2001，32（4）：12~13
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。