減壓井在長(zhǎng)沙綜合樞紐庫(kù)區(qū)浸沒區(qū)處理中的應(yīng)用研究

楊家亮

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 41007）

前言

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐是湘江干流規(guī)劃9級(jí)梯級(jí)開發(fā)的最下游梯級(jí)，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(kù)區(qū)干流長(zhǎng)131km，水面139km2，為低壩日調(diào)節(jié)水庫(kù)。該工程是一個(gè)集航運(yùn)、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(duì)促進(jìn)長(zhǎng)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(yíng)造高質(zhì)量的沿江風(fēng)光帶具有重大的意義。

長(zhǎng)沙綜合樞紐兩岸庫(kù)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(kù)蓄水后，當(dāng)?shù)叵滤簧仙崭咧恋孛婊蚪咏孛鏁r(shí)有可能產(chǎn)生浸沒，影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(zhǎng)沙樞紐庫(kù)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(gè)數(shù)量級(jí)，庫(kù)區(qū)浸沒范圍預(yù)測(cè)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(zhǎng)沙綜合樞紐庫(kù)區(qū)正常蓄水位29.7m時(shí)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(cè)地下水位線，設(shè)計(jì)判斷垸內(nèi)地下水位抬高形成浸沒的原因主要有三個(gè)方面：

（1）庫(kù)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(shí)的階段入浸，影響范圍較大，這種情況的影響范圍基本與長(zhǎng)沙樞紐建設(shè)與否無關(guān)，但與影響的時(shí)間有關(guān)，長(zhǎng)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(shí)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(duì)于庫(kù)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(zhǎng)沙樞紐建成后，地下水排泄出口基本上遭到封堵，由于庫(kù)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(yùn)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(shí)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(guó)內(nèi)浸沒區(qū)處理成功經(jīng)驗(yàn)，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(yùn)行管理維護(hù)，但大面積抬填成本巨大；長(zhǎng)沙樞紐庫(kù)區(qū)僅對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于外河庫(kù)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?cái)?，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(kù)水不能交換對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大，因此長(zhǎng)沙樞紐在庫(kù)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(kù)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(dòng)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(jì)算，其滲流計(jì)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(duì)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(chǔ)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(shí)對(duì)于飽和區(qū)也有Ss=0；

Q——匯源項(xiàng)。

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(shí)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(shí)域內(nèi)是非線形的，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)院校運(yùn)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(duì)空間采用等參元離散，對(duì)時(shí)域用后差分離散，對(duì)減壓井井點(diǎn)逸出邊界條件奇異點(diǎn)不穩(wěn)定問題進(jìn)行修正，模擬精度較好。

3 減壓井設(shè)計(jì)

減壓井的設(shè)計(jì)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(shí)按設(shè)計(jì)要求作好反濾層，充分發(fā)揮減壓井的作用，降低工程造價(jià)，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(jì)標(biāo)準(zhǔn)按保護(hù)對(duì)象設(shè)計(jì)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(jì)排漬深度確定，城區(qū)建筑物浸沒區(qū)設(shè)計(jì)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(jì)排漬深度為（1.3～1.7）m，旱作物浸沒區(qū)設(shè)計(jì)排漬深度為（0.8～1.2）m，水稻浸沒區(qū)的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(jì)

減壓井在實(shí)際運(yùn)行中存在一個(gè)比較突出的問題即隨著運(yùn)用期的推移，減壓井的透水管和過濾器會(huì)發(fā)生物理淤堵和化學(xué)淤堵，其排水減壓效果會(huì)因此而衰減。為延長(zhǎng)壽命，一般在管理運(yùn)行中會(huì)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(shí)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(jì)

所選典型區(qū)位于湘江一級(jí)支流撈刀河左岸的一處堤垸，庫(kù)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(cè)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(gè)因素對(duì)降低地下水的作用，設(shè)計(jì)采用有限元分析軟件對(duì)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(jì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)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(yǔ)

浸沒問題是長(zhǎng)沙綜合樞紐工程的主要地質(zhì)危害之一，本文以其為實(shí)例，對(duì)長(zhǎng)沙樞紐庫(kù)區(qū)堤垸的浸沒成因進(jìn)行了分類，提出了減壓井處理庫(kù)水浸沒區(qū)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮高洪水位和常年穩(wěn)定水位對(duì)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(jì)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(jià)與施工及運(yùn)行期維護(hù)等綜合因素?cái)M定。實(shí)際工程中有時(shí)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(shí)減壓井的設(shè)計(jì)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(huì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，在庫(kù)區(qū)浸沒處理中減壓井的運(yùn)用將更加廣泛。

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