- 南水北調東線穿黃河工程建設理論與實踐
- 羅輝 傅題善 陳瑛 王有志等編著
- 2835字
- 2021-10-22 16:16:06
5.5 防揚壓設計
當地下水位高于輸水渠渠底且渠道內無水或地下水位高于輸水渠內水位且水位差較大時,混凝土襯砌就會受地下水浮托力的作用,并可造成混凝土板隆起或滑坡等破壞。非輸水期必須采取有效的排水措施,降低地下水位,消除對襯砌體的浮托力。
5.5.1 防揚壓力技術措施研究
根據輸水渠沿線的地形、水文地質和工程地質特點,參照國內外類似工程的排水設計運行實踐經驗,經多方案比選和試驗研究,確定采用多種防揚壓技術措施。
5.5.1.1 渠底暗管井排
結合防濕陷設計研究的多元功能排水技術方案,在渠底暗管井排降水滿足防揚壓要求的同時,可有效地滿足機械化施工的要求。具體布置:在輸水渠渠底以下兩側縱向設置暗管輔以反濾盲溝,疏干渠床渠基周邊影響范圍內的重力水及側滲水,通過橫向集水管匯入輸水渠一側的集水豎井,然后再通過自動控制的電井泵,在起泵水位和停泵水位變幅內,將地下水自動抽排入輸水渠內,如圖5-52所示。
排水系統設計選擇:按照渠道襯砌工程最不利的水位組合,同時滿足疏干渠床地基水分的水位降深的要求,遵循瞬變流理論,即水頭隨時間變化的非穩定流狀態,按工程地質和水文地質分區,分別渠段進行分析計算,其排水量取各地質剖面不同地層巖性組合的最大外包值,并以此確定暗管規模、集水井井距等設計指標。

圖5-52 暗管集水與自動抽排系統示意圖
5.5.1.2 渠坡暗管逆止排水
對于渠床為風化巖或軟黏土,不適宜疏干排水的渠段,需分散排水減壓,即排水工程只需起到平衡揚壓的單一減壓作用,因此,采用了渠坡暗管自流內排型式。渠坡暗管逆止排水系統包括:集水暗管及其反濾材料;逆止式集水箱及出水管。該排水型式在輸水渠兩側坡腳處的混凝土板下設暗管集水,每隔一定距離設一逆止式集水箱,集水箱出水管的出口高于渠底。當地下水位高于輸水渠水位時,地下水通過排水暗管匯入集水箱,逆止式閥門開啟,由出水管自排入輸水渠內,平衡渠道內外水位差,減少浮托力,防止揚壓破壞;反之閥門關閉,維持渠道防滲功能,如圖5-53所示。對于地下水位超過渠底2m以上的渠段,需在渠底以上1.1m處再增設一道排水設施。

圖5-53 渠坡暗管逆止排水示意圖
5.5.1.3 渠坡暗管逆止排水+渠底逆止閥排水
對于渠道緊鄰黃河,受黃河側滲影響較大,且渠底有承壓水層,為防止地下水頂托破壞,在渠坡采用暗管自流內排的基礎上,在渠底中央縱向加設一道碎石盲溝強透水帶(土工織物+碎石)+逆止閥排水,如圖5-54所示。

圖5-54 渠坡暗管逆止排水+渠底逆止閥排水示意
5.5.2 暗管井排設計
5.5.2.1 排水系統的結構及布置
多元功能暗渠井排的排水系統包括:吸水暗管及其反濾料盲溝;橫向集水暗管;集水井及抽排系統。
(1)吸水暗管和反濾料盲溝。吸水暗管沿輸水渠渠底以下兩側布置,設計比降分別為1/800與1/900,由渠道上下游兩端向井位處匯水,吸水管起點高程距輸水渠渠底1~1.38m。采用直徑為200mm的軟式透水管,外側包一層400g/m2土工布,周圍用中粗砂填充,以加強反濾效果。
(2)橫向集水暗管。通向集水井的橫向集水暗管采用直徑為400mm混凝土管,周圍用中粗砂填充。設計比降1/20。吸水管與集水暗管交匯處,分別采用PVC三通管、四通管連接。
(3)集水井及抽排系統。根據排水量計算成果,在該排水段中部的輸水渠左堤上,布置一眼集水井,井深15m,井底高程距輸水渠渠底8.78m。井壁與橫向集水暗管孔口處,采用混凝土預制旁通井管銜接。集水井旁通井管以上采用內直徑為400mm混凝土管,以下采用多孔陶瓷管,其中多孔陶瓷井管外先包400g/m2土工布,再沿井管周圍回填100mm厚中粗砂。集水井內潛水電泵隨井管內水位變幅自動間歇啟停。
5.5.2.2 排水量計算
計算條件選擇對渠道襯砌工程最不利的水位組合,在滿足渠床地基水位降深要求的同時,考慮施工難易程度的因素加以確定。經分析,選擇輸水渠內無水,且渠床地下水位由最高地下水位降至渠底以下1~1.38m的組合情況。該組合條件下的水位差最大,排水流量亦最大。計算如圖5-55所示。
流向水平集水建筑物的潛水運動A.H.科斯嘉科夫公式,其公式為:


圖5-55 計算簡圖

此時,降落曲線的縱坐標按下式計算:

經計算,暗管井排方案排水量取各地質剖面不同地層巖性組合的最大外包值,采用吸水管每米單側排水流量為0.24m3/h;根據排水流量的大小,排水段按600m計,集水井初始排水流量為288.7m3/h。根據排水計算成果,集水井設計排水流量采用300m3/h。暗管井排系統圖見圖5-56。

圖5-56 暗管井排系統圖(單位:mm)
5.5.3 渠坡暗管自流內排設計
5.5.3.1 暗管自流內排排水系統的結構及布置
暗管自流內排系統包括:集水暗管及其反濾材料;逆止式集水箱及出水管。
(1)集水暗管和反濾材料。集水暗管沿左右兩側渠坡布置,比降與渠底一致;上、下排暗管高距為1m。其中下排暗管中心在渠底以上0.15m位置處;采用直徑為150mm軟式透水管,外側包一層400g/m2土工布,周圍用中粗砂填充。
(2)逆止式集水箱和出水管。逆止式集水箱采用工程塑料箱體,設有集水室和排水室。集水暗管和集水箱連續間隔埋設,集水暗管兩端分別插入集水室,當地下水位高于渠內水位即外水壓力大于內水壓力時,逆止式閥門開啟,地下水進入排水室。集水箱出水管采用硬質聚乙烯塑料管,出水管徑為60mm,管長為660mm,以1/50坡降坡向輸水渠一側。
上下排逆止式集水箱呈梅花狀間隔布置。集水箱安裝高程及水平位置,要求集水孔中心與排水暗管中心重合,集水箱水平安放。
逆止式集水箱構造及安放如圖5-57所示。

圖5-57 逆止式集水箱構造及安放圖(單位:mm)
5.5.3.2 排水流量計算
排水計算選擇對襯砌工程最不利的水位組合,即汛期渠道停止輸水,渠床地下水位為最高地下水位的時期。計算如圖5-58所示。
根據沿線地下水位的變化,土質的差異與滲透系數的大小,將全線劃分為57個區段計算排水流量。
排水流量計算,參照霍赫浩特方程,如下式所示:


圖5-58 暗管自流內排計算簡圖
L——暗管排水的影響范圍L=6000hk1/2,m;
D1——暗管水位至不透水層的等效深度,m。
疏水渠雙側或單側排水暗管的排水流量,如式(5-51)和式(5-52)所示:

集水箱出水管出流計算,按水力學中短管出流的情況考慮,其計算公式如式(5-53)所示:

經計算,集水箱出水管的出流量為:

根據輸水渠沿線的設計條件及地質條件,首先計算出各渠段每米長暗管的排水流量,然后根據集水箱出水管的出水流量計算集水箱的設置間距:其中下排間距15m,上排間距30m。集水箱出水管的管徑選用60mm。
5.5.4 渠底盲溝自流內排設計
5.5.4.1 暗管自流內排排水系統的結構及布置
暗管自流內排系統包括:排水盲溝;防淤堵逆止排水系統。
(1)排水盲溝。排水盲溝沿渠長方向在渠底布置3條,分別布置在渠底中心和渠底兩側,溝底比降同輸水渠渠底比降;盲溝開挖斷面為60cm×60cm,沿開挖斷面鋪設一層400g/m2土工布后,回填碎石;開挖斷面與土工布之間回填50mm厚中粗砂,以加強反濾效果。
(2)防淤堵逆止式排水系統。防淤堵逆止式排水系統由集水管和出水室兩部分組成。集水管垂直埋入盲溝內,管徑100mm,管壁上有多個透水孔,透水孔孔徑10mm;集水管與出水室連接處設閥口和逆止式閥門,其中閥口直徑100mm;出水室直徑150mm,高200mm,埋入渠底混凝土板內,出水室的上頂端設可上下移動的防淤罩;出水室出水口高出渠底150mm。
5.5.4.2 排水流量計算
渠底盲溝自流內排與渠坡暗管自流內排計算原理、計算方法一致。經計算,防淤堵逆止式排水系統出口流量為2.76×10-3m3/s。
根據排水系統出口流量計算逆止閥的設置間距為15m,并在渠底梅花狀布置。