西霞院消力池底板暗排水结构比选分析.pdf

检测与分析GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 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 〕 2007 - 6 - 27 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30md - 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30md - 1 ” 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/kgm - 3 20802000 抗压强度/MPa19171413 渗透系数/cms- 1711710 - 2 粗糙率0102 26 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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711710 - 2 cms - 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。PVC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PVC。 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/ cms- 1218510 - 1 218510 - 1 耐压扁平率/N 215002900 耐压扁平率/N 442006800 耐压扁平率/N 568008900 耐压扁平率/N 10850012100 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。 defdexp - 2α π1 式中α 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,α011～0115,用针刺无 纺织物时α012。 管壁的透水量Qe按式2计算。 QeπKsdefL2 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。 QcvA R 2/3 i 1/2A /n 3 式中v 水流的流速 m s - 1 ; R 水力半径; i 水力坡降; n 糙率;A 管件的排水断面积 m 2 。 312 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 36 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 检测与分析GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 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 α012界长311057m012 exp - 2α π012846 def/m010854018839010569 010854 Ks/ms- 1 711710 - 4 711710 - 4 218510 - 3 L/m505050 单根Qe/m3s- 19161610- 3 9184110 - 2 2154810 - 2 n0102010201014 R01075010501 075 i333 A /m201070711152010314 010707 单根Qc/m3s- 1011089 812610 - 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。 FbQc/Q≥210～5104 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/m3s- 11. 0000. 08592. 650 Q/m3s- 10. 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, 20063 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, 20043 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 46 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.