楊家亮

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 41007）

前言

湘江長沙綜合樞紐是湘江干流規(guī)劃9級梯級開發(fā)的最下游梯級，壩址位于湘江望城區(qū)的蔡家洲，控制流域面積90520km2。樞紐正常蓄水位29.7m，庫區(qū)干流長131km，水面139km2，為低壩日調(diào)節(jié)水庫。該工程是一個集航運、發(fā)電、供水、交通、生態(tài)等各種效益一體的綜合性工程，建成后對促進(jìn)長株潭經(jīng)濟(jì)一體化，提高城市品味，改善投資環(huán)境、改善濱水環(huán)境，營造高質(zhì)量的沿江風(fēng)光帶具有重大的意義。

長沙綜合樞紐兩岸庫區(qū)地面平坦，地形起伏不大，地面一般只高于正常蓄水位（1～5）m，部分防護(hù)區(qū)地面高程甚至低于正常蓄水位，水庫蓄水后，當(dāng)?shù)叵滤簧仙崭咧恋孛婊蚪咏孛鏁r有可能產(chǎn)生浸沒，影響了農(nóng)作物的生長和建筑物的基礎(chǔ)，須進(jìn)行防護(hù)處理。

1 浸沒范圍、成因與處理方案

1.1 浸沒范圍

長沙樞紐庫區(qū)范圍內(nèi)的沖積階地多為二元結(jié)構(gòu)，上部由粘性土組成，下部為砂礫石，二者滲透能力相差3～4個數(shù)量級，庫區(qū)浸沒范圍預(yù)測采用了“最小起始水力坡度法”推算壅高后地下水位線，按防漬標(biāo)準(zhǔn)判斷浸沒區(qū)范圍，少量二元結(jié)構(gòu)不明顯的地區(qū)采用地下水壅高值法判斷。經(jīng)分析長沙綜合樞紐庫區(qū)正常蓄水位29.7m時的浸沒范圍主要集中在17處，面積約1995.37hm2。

1.2 浸沒成因分析

根據(jù)浸沒范圍判定推測地下水位線，設(shè)計判斷垸內(nèi)地下水位抬高形成浸沒的原因主要有三個方面：

（1）庫水入浸，抬高了地下水。這種類型可細(xì)分為兩小類：一類是汛期高洪水位時的階段入浸，影響范圍較大，這種情況的影響范圍基本與長沙樞紐建設(shè)與否無關(guān)，但與影響的時間有關(guān)，長沙樞紐建成后，浸沒影響消退的速度由于外河常年持續(xù)較高水位而大幅度減緩，甚至?xí)Ｄ瓴煌?，將原來短歷時浸沒變?yōu)殡A段性甚至常年浸沒；另一類是正常蓄水位的穩(wěn)定入浸，這種工況下影響范圍主要集中在沿河一線，由于水頭不高，影響范圍不大；綜上所述，對于庫水入浸形成的浸沒處理應(yīng)統(tǒng)籌考慮高洪水位和常年穩(wěn)定水位浸沒的影響。

（2）垸內(nèi)地下水排泄通道受阻，抬高了地下水：長沙樞紐建成后，地下水排泄出口基本上遭到封堵，由于庫區(qū)堤垸多為三面環(huán)山一面臨水，且靠山側(cè)集雨面積還較大，地下水位較高，由于排泄通道受阻，地下水位壅高造成浸沒。

（3）降雨入滲抬高地下水：這種類型也可細(xì)分為兩種類型：一類是堤垸的起排水位高于堤垸降漬要求的水位，若不處理，兩組水位之間的這部分澇水就滯蓄在垸內(nèi)補(bǔ)給地下水，抬高地下水位；另一類是工程運行后垸內(nèi)整體地下水位抬高，埋深變淺，降雨下滲排泄速率變緩，雖起排水位低但原有排漬體系滿足不了排漬時間的要求，造成地下水短暫雍高形成階段式浸沒。

1.3 浸沒處理方案

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和國內(nèi)浸沒區(qū)處理成功經(jīng)驗，防治漬害根本應(yīng)從降低地下水位入手，主要有兩種手段：一種是抬填浸沒區(qū)地面高程加大地下水與地面距離；一種是根據(jù)水文地質(zhì)條件，布置降漬工程，通過防滲、導(dǎo)滲減壓、截滲、排浸與疏干等手段降低地下水位。浸沒區(qū)抬填是最為穩(wěn)妥的辦法，效果好，不需要運行管理維護(hù)，但大面積抬填成本巨大；長沙樞紐庫區(qū)僅對很小部分區(qū)域采用了此方案，大部分推薦了降漬工程處理：對于垸內(nèi)靠山側(cè)地下水排泄不暢引起的浸沒推薦采用截滲+溝渠疏導(dǎo)的方案；對于垸內(nèi)降雨滯蓄引起的浸沒危害采用泵站控制內(nèi)水位+溝渠疏導(dǎo)的方案；對于外河庫水入浸引起的危害采用堤基防滲或?qū)B減壓結(jié)合泵站排浸聯(lián)合處理方案。

考慮到湘江下游尾閭透水層較厚，堤基防滲若采用懸掛帷幕效果不佳，若截斷，不僅工程投資大，部分堤段施工也比較困難，更重要的是垸內(nèi)地下水與庫水不能交換對生態(tài)環(huán)境影響較大，因此長沙樞紐在庫水入浸類型的處理過程中推薦采用了減壓井減壓導(dǎo)滲處理方案。

2 減壓井的工作原理與減壓排浸分析方法

2.1 工作原理

減壓井減壓排浸原理是：通過濾水管將來自庫區(qū)的滲透水流直接導(dǎo)入井內(nèi)，在地下迅速降低壓力水頭，阻止水流繼續(xù)往下游流動擴(kuò)大浸沒危害，以達(dá)到降低垸內(nèi)地下水位和減少浸沒影響范圍的目的，防止?jié)n害發(fā)生。

2.2 減壓井的減壓排浸分析方法

減壓井的減壓排浸分析可采用地下水有限元分析軟件模擬計算，其滲流計算的數(shù)學(xué)模型基本微分方程如下：

式中 h——總水頭；

hc——壓力水頭；

kr——相對透水率，在非飽和區(qū)0＜kr＜1，在飽和區(qū)kr=1；

C——比容水度，在正壓區(qū)C=0；

β——飽和—非飽和原則常數(shù)，在非飽和區(qū)等于0，在飽和區(qū)等于1；

Ss——彈性儲水率，在非飽和土體中Ss=0，當(dāng)忽略土體骨架及水的壓縮性時對于飽和區(qū)也有Ss=0；

Q——匯源項。

數(shù)學(xué)模型基本微分方程定解的初始條件和邊界條件如下：

式中 ni——邊界面外法線方向余弦；

t0——初始時刻；

г1——水頭邊界；

г2——流量邊界；

г3——減壓井逸出邊界。

上述模型的方程與定解條件時域內(nèi)是非線形的，現(xiàn)在國內(nèi)外的相關(guān)院校運用成熟滲流有限元模擬軟件采用半離散的逐步積分?jǐn)?shù)值法求解，對空間采用等參元離散，對時域用后差分離散，對減壓井井點逸出邊界條件奇異點不穩(wěn)定問題進(jìn)行修正，模擬精度較好。

3 減壓井設(shè)計

減壓井的設(shè)計主要是依據(jù)浸沒區(qū)的壓力水頭、排漬標(biāo)準(zhǔn)、垸內(nèi)土層結(jié)構(gòu)特性等通過減壓排浸分析方法確定合適的井類型、井深、井徑、井距、井列線，施工時按設(shè)計要求作好反濾層，充分發(fā)揮減壓井的作用，降低工程造價，提高工程使用壽命。

3.1 防漬標(biāo)準(zhǔn)

浸沒區(qū)防漬設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按保護(hù)對象設(shè)計排漬深度控制，區(qū)域內(nèi)自身降雨的影響采用10年一遇的3日暴雨3天排至設(shè)計排漬深度確定，城區(qū)建筑物浸沒區(qū)設(shè)計排漬深度為（2.3～2.7）m，城郊及農(nóng)村建筑物浸沒區(qū)設(shè)計排漬深度為（1.3～1.7）m，旱作物浸沒區(qū)設(shè)計排漬深度為（0.8～1.2）m，水稻浸沒區(qū)的設(shè)計排漬深度為（0.4～0.6）m。

3.2 減壓井類型

減壓井可分為淺井、深井兩類：淺井是挖穿不透水或相對隔水的覆蓋土層，把井底置于透水層上部的減壓井。深井是井孔深入大部或全部透水層的減壓井：當(dāng)井孔部分深入透水層，稱不完整井；當(dāng)井孔深入全部透水層，稱完整井。

3.3 減壓井井深、井距、井徑

井深、井徑、井距一般應(yīng)通過試算初擬,并結(jié)合現(xiàn)有的施工器具、地質(zhì)條件來選定。

（1）減壓井的深度。減壓井的深度主要取決于區(qū)域內(nèi)的壓力水頭、排漬深度和堤基的地質(zhì)條件，壓力水頭較小，排漬深度較淺，堤防基礎(chǔ)透水層厚度不大的區(qū)域可以選擇淺井；對于深厚透水層的地基或多層透水地基、或者壓力水頭大、亦或排漬深度較深一般采用深井效果較明顯。

（2）減壓井的井距。減壓井的井距應(yīng)與井深（貫入度）一起考慮。不難理解,減壓井貫入強(qiáng)透水層的深度越大，沿堤軸線方向減壓井之間的間距越小，減壓井的效果會越好，但考慮施工方便和經(jīng)濟(jì)的原則，工程上井距一般（10～50）m為宜，過大會使大量的滲透水流越過井系，影響減壓效果，過小投資不經(jīng)濟(jì)且施工、洗井容易相互影響。

（3）減壓井的井徑。井管的直徑通常采用（20～60）cm。直徑太小，井內(nèi)將產(chǎn)生較大的摩阻水頭損失，影響減壓效能；直徑太大則成本過高，一般淺井的半徑可取大值或稍大值。

3.4 井列線位置的確定

減壓井的井列線靠近堤腳（滲透坡降最大）的減壓效果較好，離堤腳過遠(yuǎn)，則在井系軸線與堤腳之間仍存在較大的滲透壓力。

3.5 減壓井反濾層的設(shè)計

減壓井在實際運行中存在一個比較突出的問題即隨著運用期的推移，減壓井的透水管和過濾器會發(fā)生物理淤堵和化學(xué)淤堵，其排水減壓效果會因此而衰減。為延長壽命，一般在管理運行中會反復(fù)洗井，為了保證反濾層的均勻性即使反濾層在洗井時細(xì)粒能夠隨著浸水進(jìn)入井內(nèi)而自由沉降，也不至發(fā)生架空脫節(jié)現(xiàn)象，反濾層必須滿足：

（1）反濾料的不均勻系數(shù)n<5；

（2）反濾層的最小厚度：7.5D85≤T最小≥15cm；

其中，D85為反濾料土中過篩率為85%的粒徑，T為反濾層的厚度。

4 典型區(qū)設(shè)計

所選典型區(qū)位于湘江一級支流撈刀河左岸的一處堤垸，庫區(qū)回水位為29.76m，浸沒區(qū)平均地面高程為29.5m，按農(nóng)田旱作防漬標(biāo)準(zhǔn)控制，臨界地下水位高程為28.5m，根據(jù)地勘與測量資料，浸沒區(qū)的粉質(zhì)粘土厚度在（3～4）m，下部為（4～6）m的砂卵石層，在不考慮減壓井的前提下，外河10年一遇洪水位垸內(nèi)地面的壓力水頭線在30.02m左右，為滿足防漬標(biāo)準(zhǔn)，需降低壓力水頭線1.52m，見圖1。

減壓井的井列線布置在堤腳線后10m處，為模擬減壓井的間距L、貫入強(qiáng)透水層的深度W及井徑R三個因素對降低地下水的作用，設(shè)計采用有限元分析軟件對5中組合方式的125種工況進(jìn)行了模擬，尋找最優(yōu)的設(shè)計方案，見附表和圖2。

根據(jù)模擬結(jié)果圖可以看出：

（1）減壓井的貫入度對排水降壓效果影響最顯著，其次是井距，井徑無顯著影響。

（2）減壓井的貫入度對排水降壓效果有一段明顯突變區(qū)域——淺井變?yōu)樨炄攵葹?0%深井處，當(dāng)貫入度為20%～70%時，排水降壓基本呈線性增加，超過70%，排水降壓效果提高不多。

圖1 堤防減壓井布置示意圖

附表 擬定因素及水平

圖2 各工況處理效果圖（井間壓力水頭降低值）

（3）合理經(jīng)濟(jì)的減壓井布置方案應(yīng)盡量取合適的貫入度及較大的井距，在便于施工、防淤及洗井的條件下，宜取較小的井徑。結(jié)合到工程實例，推薦采用30m井距和70%的貫入度，井徑考慮到太小深孔護(hù)壁較困難建議取30cm（方案L3+W4+R2）。

5 結(jié) 語

浸沒問題是長沙綜合樞紐工程的主要地質(zhì)危害之一，本文以其為實例，對長沙樞紐庫區(qū)堤垸的浸沒成因進(jìn)行了分類，提出了減壓井處理庫水浸沒區(qū)時應(yīng)統(tǒng)籌考慮高洪水位和常年穩(wěn)定水位對浸沒范圍和危害的影響，其布置要先根據(jù)浸沒區(qū)的壓力水頭、排漬標(biāo)準(zhǔn)、垸內(nèi)地質(zhì)土層結(jié)構(gòu)特性等按減壓排浸分析計算初擬的井類型、井深、井徑、井距、井列線，然后結(jié)合工程造價與施工及運行期維護(hù)等綜合因素擬定。實際工程中有時為更好地控制區(qū)內(nèi)地下水位，采取減壓井與導(dǎo)滲溝或部分段防滲灌漿等多管齊下的方案，此時減壓井的設(shè)計參數(shù)（貫入度、井距、井徑）取值不一定遵循本文的研究結(jié)論，筆者相信，隨著社會環(huán)境保護(hù)意識的不斷提高，在庫區(qū)浸沒處理中減壓井的運用將更加廣泛。

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