西霞院消力池底板暗排水结构比选分析.pdf

检测与分析GEOTECHNICAL ENGI NEERI NGWORLDVOL. 11No . 2 西 霞 院 消 力 池 底 板 暗 排 水 结 构 比 选 分 析 张俊霞 1 翟李越 2 杨小平 1 李莉 1 ( 1. 黄河水利科学研究院2. 黄委会上中游管理局 ) 摘要为解决泄洪闸、 排沙洞在运行和检修中消力池底板的抗浮稳定问题, 需要在消力池底板以下的砂 砾石层中设暗排水系统。暗排水系统结构形式初选为三种, 即无砂混凝土管、 无砂混凝土沟槽及 软式透水管, 在分析三种排水结构入渗能力及排渗能力的情况下, 对暗排水系统结构形式进行优 化, 最终选定管体结构合理, 过滤性能强, 入渗能力和排水效果明显, 施工方便, 并满足设计需要 的软体排水管作为暗排水系统的结构形式。 关键词西霞院暗排水结构PVC软式透水管 收稿日期6 1 工程概况 西霞院反调节水库是小浪底水利枢纽的配套工 程, 位于河南省境内黄河干流上。为确保水库的有 效库容且满足下游河道输沙要求, 西霞院水库汛限 水位 131m的泄流能力要求不小于 6000m 3 # s - 1, 泄 洪闸为工程的主要泄洪建筑物, 下游采用底流消能, 消力池长 48m, 宽 344 . 5m。开敞式闸消力池底板厚 3~ 2m, 池深 3m , 池底高程 114~ 113m; 胸墙式闸消 力池底板厚 3m, 池深 2m, 池底高程 114m。尾坎高 程均为 116m 。 泄洪闸地基为沉积砂卵石层, 厚度 10~ 15m, 具 中 - 强透水性, 渗透系数为 30m# d - 1, 且闸基下游 水位相对较高。由于闸基存在渗漏问题, 从而导致 消力池底板下有承压水存在, 为了保证消力池在检 修条件及泄洪时底板的抗浮稳定性, 需要在消力池 底板以下的砂砾石层中设暗排水系统以降低消力池 底板的承压水头。 2 暗排水结构初选型式 暗排水方案是在消力池底板下铺设排水管, 通 过设在尾坎混凝土中的排水廊道, 集中在右边墙的 排水井中抽排。其优点是整个消力池底板的承压水 头一致, 不会发生基础渗透破坏, 泄洪时不会因水流 冲击而损坏。缺点是由于排水管埋在底板下, 检查 和检修较为困难, 并且无法进行修复和更换。因此, 暗排水结构需要采取一定的保护措施, 选择优质的 结构方式及可靠的结构材料, 精心施工, 从而保证排 水通畅。 经局部三维渗流计算分析, 在计算条件 / 汛限 水位 124134m, 抽排最低水位 11210m, 地下水位 12116m, 坝基渗透系数 30m# d - 1 0情况下, 消力池 基坑 汇集的渗流量为 35658188m 3 # d - 1 = 01413m 3 # s - 1, 消力池底板有 312m左右的承压水头。为了 排除消力池底板下的渗流量以及降低底板的承压水 头, 设计上初选的暗排水结构形式有 3种, 分别为: 无砂混凝土管结构、 无砂混凝土沟槽结构及软式透 水管结构。 211无砂混凝土沟槽结构 无砂混凝土是轻骨料混凝土的一种形式, 仅由 水、 水泥和粗骨料拌和而成。由于没有细骨料, 所以 在混凝土内部存在着大量较大的孔隙, 水可以在硬 化的混凝土孔隙中流动。正是由于这些孔隙的存 在, 使得无砂混凝土具有与其它种类混凝土所不同 的特点: 容重小, 水的毛细现象不显著, 透水性大, 水 泥用量少, 施工简单等等。但是, 在应用无砂混凝土 的同时, 也应看到其弱点: 由于容重小, 则强度大为 降低; 水泥用量少, 则粘着力减小。经过比对试验, 提出无砂混凝土的最佳配合比见表 1 。无砂混凝土 沟槽结构见图 1 。 表 1无砂混凝土配合比及力学性能 石子粒径 /mm5~ 1010~ 20 水灰比 W /C0135013 灰骨比 C /S1/51/6 密度 /kg# m- 320802000 抗压强度 /MPa19171413 渗透系数 /cm# s- 17117@10- 2 粗糙率0102 6 122007-- 27 2 岩土工程界第 11卷第 2期检测与分析 图 1无砂混凝土沟槽结构示意图 2 . 2 无砂混凝土管结构 传统无砂混凝土管的性能 (包括透水性和抗压 强度等 )与原材料的选择和配合比及施工工艺均有 关系。对于无砂混凝土的配合比设计, 既要保证其 强度, 又要满足实际工程的透水性要求, 经过比对试 验, 无砂混凝土的最佳配合比如表 1所示, 无砂混凝 土管管径 300mm , 渗透系数为 7117@10 - 2 c m# s - 1。 无砂混凝土沟槽结构见图 2 。 图 2无砂混凝土管结构示意图 213 软式透水管结构 软式透水管有多种规格, 小管径多用于渗水, 大 管径多用于通水。 V软式透水管内衬钢线采用 高强弹簧硬钢线, 经磷酸防腐处理, 外被覆V 。 过滤层采用不织布过滤层, 透水和被覆材料的经纱 采用高强力尼龙纱, 纬纱使用特殊纤维, 其构造如图 3所示。软式透水管的基本性能见表 2 。 图 3软式透水管结构示意图 表 2软式透水管基本性能表 型号SH- 200SH- 300 管径 /mm200300 粗糙率0101401014 等效孔径 /mm01119301194 垂直渗透系数 / cm#s- 12185 @10- 12185@10- 1 耐压扁平率 /N2%15002900 耐压扁平率 /N4%42006800 耐压扁平率 /N5%68008900 耐压扁平率 /N10%850012100 3排水结构透水及排水能力计算 排水结构的型式对其透水能力及排水能力影响 很大, 因此设计中要求对不同的排水结构型式进行 透水能力及排水能力的计算分析, 进行比对, 从而选 择合理的排水结构型式。 311计算公式 [1~ 3] 对于地埋排泄水管, 在计算时通常把外径为 d 的排水管换为一个虚拟的管壁完全透水的排水管的 有效管径 def, 换算公式 ( John, 1987)如式 ( 1)。 def= d# exp( - 2AP )( 1) 式中: A) 无因次的流入阻力系数, 对透水波纹 管用薄的热粘无纺织物时, A= 011~ 0115 , 用针刺无 纺织物时 A= 012 。 管壁的透水量 Qe按式 ( 2)计算。 Qe= PKsdefL( 2) 式中: Ks) 管壁渗透系数 (m# s - 1 ); L) 排水管 长度 (m)。 管件的排水量 Qc按式 ( 3)计算。 Qc= v A= (R 2/3 i 1/2A) /n ( 3) 式中: v) 水流的流速 (m# s - 1 ); R) 水力半径; ) 水力坡降;) 糙率;) 管件的排水断面积 ( 2 )。 3透水及排水能力计算 三种排水结构的透水能力及排水能力计算结果 63 P C P C inAm 12 检测与分析GEOTECHNICAL ENGI NEERI NGWORLDVOL. 11No . 2 如表 3所示。 表 3不同排水结构的透水及排水能力对比表 项 目无砂混凝土管 无砂混凝沟槽软式透水管 d /mm300见图 1(入渗边200(300) A012界长 311057m)012 exp( - 2A P )012846 def/m 010854018839010569(010854) Ks/m# s- 17117@10- 47117@10- 42185 @10- 3 L/m505050 单根 Qe/m3# s- 191616@10- 3 91841@10- 22 1548@10- 2 n0102010201014 R0 10750105( 0 1075) i3%3 %3 % A/m2 01070711152010314(010707) 单根 Qc/m3# s- 1011089 8126@10- 4 010527(011556) 暗管间距 /m310暗管数 /根104 由表 3对比分析可以发现: ( 1) 无砂混凝土沟槽结构由于入渗边界较长, 其透水能力相对较强, 但排水能力则相对较弱; (2) 无砂混凝土管虽排水能力相对较强, 但其 透水能力则相对较弱; ( 3) 软透水管则排水能力大于其自身的透水能 力, 显然透水和排水组合最优的应是软透水管结构。 313 排水安全储备系数计算 [1, 4] 对于 3种不同的排水结构型式, 排水安全储备 系数 Fb, 应满足式 ( 4)的要求。 Fb= Qc/Q\ 210~ 510(4) 式中: Fb) 安全系数, 对能清淤的管道, Fb取小 值, 对无清淤能力的管道, Fb取大值; Q) 需要排出 的水量 (m 3 # s - 1 ), Qc) 管件的排水能力, 即能排出 的水量 (m 3 # s - 1 ), 其值由渗入管内的水量 Qe和管 件排水量 Qc两者中的小值确定。 排水安全储备系计算结果如表 4所示。 从表 4可以看出可, 就排水安全储备系数而言, 软式透水管结构为合理的排水结构。 表 4不同结构的排水安全储备系计算表 项 目无砂混凝土管无砂混凝沟槽软式透水管 暗管间距 /m3 . 0暗管数 /根104 Qc/m3#s- 11 . 0000. 08592. 650 Q /m3# s- 1 0 . 413 Fb2 . 4210. 2086. 416 4结语 经过对比计算分析, 可以看出西霞院泄洪闸消 力池底板的暗排水结构中, 软式透水管结构相对较 为合理。软式透水管除了全方位透水、 渗透性好外, 还有以下优点: ( 1) 重量轻、 可连续铺设, 接头少, 衔接方便; ( 2) 可直接埋入土中, 施工迅速, 并可减小覆土 厚度; ( 3) 具有耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性能, 并有 较高的抗拉耐压强度, 使用寿命长。 加筋软式透水管已在多个排水工程中使用, 效 果很好, 表明软式透水管渗透性能较优, 是一种很好 的地下排水材料。为使软式透水管充分发挥作用, 在设计计算时, 要考虑地下水的毛细水上升高度及 验算排水管的渗透能力及透水管的排水安全储备系 数等等。 综上所述, 对于西霞院泄洪闸消力池底板的暗 排水结构型式, 建议采用软式透水管。 参考文献 [1]土工合成材料工程应用手册 [M ]. 北京: 中国建筑工业出版 社, 2000: 304 . [2]沙金煊. 农田不稳定排水理论与计算 [M]. 北京: 中国水利电 力出版社, 2004 . 174 . [3]罗畅. 软式透水管在西霞院泄洪闸消力池的应用 [ J]. 西北 水电, 2006( 3): 27- 28 . [4]吴祖根. 软式透水管在下穿道路段路基排水设计中的应用 [ J]. 中国市政工程, 2004(3): 53~ 55. 第一作者通讯地址:郑州市金水区顺河路 45号黄河水利科 学研究院邮编: 450003 64