减压井在长沙综合枢纽库区浸没区处理中的应用研究

杨家亮

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 41007）

前言

湘江长沙综合枢纽是湘江干流规划9级梯级开发的最下游梯级，坝址位于湘江望城区的蔡家洲，控制流域面积90520km2。枢纽正常蓄水位29.7m，库区干流长131km，水面139km2，为低坝日调节水库。该工程是一个集航运、发电、供水、交通、生态等各种效益一体的综合性工程，建成后对促进长株潭经济一体化，提高城市品味，改善投资环境、改善滨水环境，营造高质量的沿江风光带具有重大的意义。

长沙综合枢纽两岸库区地面平坦，地形起伏不大，地面一般只高于正常蓄水位（1～5）m，部分防护区地面高程甚至低于正常蓄水位，水库蓄水后，当地下水位上升壅高至地面或接近地面时有可能产生浸没，影响了农作物的生长和建筑物的基础，须进行防护处理。

1 浸没范围、成因与处理方案

1.1 浸没范围

长沙枢纽库区范围内的冲积阶地多为二元结构，上部由粘性土组成，下部为砂砾石，二者渗透能力相差3～4个数量级，库区浸没范围预测采用了“最小起始水力坡度法”推算壅高后地下水位线，按防渍标准判断浸没区范围，少量二元结构不明显的地区采用地下水壅高值法判断。经分析长沙综合枢纽库区正常蓄水位29.7m时的浸没范围主要集中在17处，面积约1995.37hm2。

1.2 浸没成因分析

根据浸没范围判定推测地下水位线，设计判断垸内地下水位抬高形成浸没的原因主要有三个方面：

（1）库水入浸，抬高了地下水。这种类型可细分为两小类：一类是汛期高洪水位时的阶段入浸，影响范围较大，这种情况的影响范围基本与长沙枢纽建设与否无关，但与影响的时间有关，长沙枢纽建成后，浸没影响消退的速度由于外河常年持续较高水位而大幅度减缓，甚至会常年不退，将原来短历时浸没变为阶段性甚至常年浸没；另一类是正常蓄水位的稳定入浸，这种工况下影响范围主要集中在沿河一线，由于水头不高，影响范围不大；综上所述，对于库水入浸形成的浸没处理应统筹考虑高洪水位和常年稳定水位浸没的影响。

（2）垸内地下水排泄通道受阻，抬高了地下水：长沙枢纽建成后，地下水排泄出口基本上遭到封堵，由于库区堤垸多为三面环山一面临水，且靠山侧集雨面积还较大，地下水位较高，由于排泄通道受阻，地下水位壅高造成浸没。

（3）降雨入渗抬高地下水：这种类型也可细分为两种类型：一类是堤垸的起排水位高于堤垸降渍要求的水位，若不处理，两组水位之间的这部分涝水就滞蓄在垸内补给地下水，抬高地下水位；另一类是工程运行后垸内整体地下水位抬高，埋深变浅，降雨下渗排泄速率变缓，虽起排水位低但原有排渍体系满足不了排渍时间的要求，造成地下水短暂雍高形成阶段式浸没。

1.3 浸没处理方案

根据相关规范和国内浸没区处理成功经验，防治渍害根本应从降低地下水位入手，主要有两种手段：一种是抬填浸没区地面高程加大地下水与地面距离；一种是根据水文地质条件，布置降渍工程，通过防渗、导渗减压、截渗、排浸与疏干等手段降低地下水位。浸没区抬填是最为稳妥的办法，效果好，不需要运行管理维护，但大面积抬填成本巨大；长沙枢纽库区仅对很小部分区域采用了此方案，大部分推荐了降渍工程处理：对于垸内靠山侧地下水排泄不畅引起的浸没推荐采用截渗+沟渠疏导的方案；对于垸内降雨滞蓄引起的浸没危害采用泵站控制内水位+沟渠疏导的方案；对于外河库水入浸引起的危害采用堤基防渗或导渗减压结合泵站排浸联合处理方案。

考虑到湘江下游尾闾透水层较厚，堤基防渗若采用悬挂帷幕效果不佳，若截断，不仅工程投资大，部分堤段施工也比较困难，更重要的是垸内地下水与库水不能交换对生态环境影响较大，因此长沙枢纽在库水入浸类型的处理过程中推荐采用了减压井减压导渗处理方案。

2 减压井的工作原理与减压排浸分析方法

2.1 工作原理

减压井减压排浸原理是：通过滤水管将来自库区的渗透水流直接导入井内，在地下迅速降低压力水头，阻止水流继续往下游流动扩大浸没危害，以达到降低垸内地下水位和减少浸没影响范围的目的，防止渍害发生。

2.2 减压井的减压排浸分析方法

减压井的减压排浸分析可采用地下水有限元分析软件模拟计算，其渗流计算的数学模型基本微分方程如下：

式中 h——总水头；

hc——压力水头；

kr——相对透水率，在非饱和区0＜kr＜1，在饱和区kr=1；

C——比容水度，在正压区C=0；

β——饱和—非饱和原则常数，在非饱和区等于0，在饱和区等于1；

Ss——弹性储水率，在非饱和土体中Ss=0，当忽略土体骨架及水的压缩性时对于饱和区也有Ss=0；

Q——汇源项。

数学模型基本微分方程定解的初始条件和边界条件如下：

式中 ni——边界面外法线方向余弦；

t0——初始时刻；

г1——水头边界；

г2——流量边界；

г3——减压井逸出边界。

上述模型的方程与定解条件时域内是非线形的，现在国内外的相关院校运用成熟渗流有限元模拟软件采用半离散的逐步积分数值法求解，对空间采用等参元离散，对时域用后差分离散，对减压井井点逸出边界条件奇异点不稳定问题进行修正，模拟精度较好。

3 减压井设计

减压井的设计主要是依据浸没区的压力水头、排渍标准、垸内土层结构特性等通过减压排浸分析方法确定合适的井类型、井深、井径、井距、井列线，施工时按设计要求作好反滤层，充分发挥减压井的作用，降低工程造价，提高工程使用寿命。

3.1 防渍标准

浸没区防渍设计标准按保护对象设计排渍深度控制，区域内自身降雨的影响采用10年一遇的3日暴雨3天排至设计排渍深度确定，城区建筑物浸没区设计排渍深度为（2.3～2.7）m，城郊及农村建筑物浸没区设计排渍深度为（1.3～1.7）m，旱作物浸没区设计排渍深度为（0.8～1.2）m，水稻浸没区的设计排渍深度为（0.4～0.6）m。

3.2 减压井类型

减压井可分为浅井、深井两类：浅井是挖穿不透水或相对隔水的覆盖土层，把井底置于透水层上部的减压井。深井是井孔深入大部或全部透水层的减压井：当井孔部分深入透水层，称不完整井；当井孔深入全部透水层，称完整井。

3.3 减压井井深、井距、井径

井深、井径、井距一般应通过试算初拟,并结合现有的施工器具、地质条件来选定。

（1）减压井的深度。减压井的深度主要取决于区域内的压力水头、排渍深度和堤基的地质条件，压力水头较小，排渍深度较浅，堤防基础透水层厚度不大的区域可以选择浅井；对于深厚透水层的地基或多层透水地基、或者压力水头大、亦或排渍深度较深一般采用深井效果较明显。

（2）减压井的井距。减压井的井距应与井深（贯入度）一起考虑。不难理解,减压井贯入强透水层的深度越大，沿堤轴线方向减压井之间的间距越小，减压井的效果会越好，但考虑施工方便和经济的原则，工程上井距一般（10～50）m为宜，过大会使大量的渗透水流越过井系，影响减压效果，过小投资不经济且施工、洗井容易相互影响。

（3）减压井的井径。井管的直径通常采用（20～60）cm。直径太小，井内将产生较大的摩阻水头损失，影响减压效能；直径太大则成本过高，一般浅井的半径可取大值或稍大值。

3.4 井列线位置的确定

减压井的井列线靠近堤脚（渗透坡降最大）的减压效果较好，离堤脚过远，则在井系轴线与堤脚之间仍存在较大的渗透压力。

3.5 减压井反滤层的设计

减压井在实际运行中存在一个比较突出的问题即随着运用期的推移，减压井的透水管和过滤器会发生物理淤堵和化学淤堵，其排水减压效果会因此而衰减。为延长寿命，一般在管理运行中会反复洗井，为了保证反滤层的均匀性即使反滤层在洗井时细粒能够随着浸水进入井内而自由沉降，也不至发生架空脱节现象，反滤层必须满足：

（1）反滤料的不均匀系数n<5；

（2）反滤层的最小厚度：7.5D85≤T最小≥15cm；

其中，D85为反滤料土中过筛率为85%的粒径，T为反滤层的厚度。

4 典型区设计

所选典型区位于湘江一级支流捞刀河左岸的一处堤垸，库区回水位为29.76m，浸没区平均地面高程为29.5m，按农田旱作防渍标准控制，临界地下水位高程为28.5m，根据地勘与测量资料，浸没区的粉质粘土厚度在（3～4）m，下部为（4～6）m的砂卵石层，在不考虑减压井的前提下，外河10年一遇洪水位垸内地面的压力水头线在30.02m左右，为满足防渍标准，需降低压力水头线1.52m，见图1。

减压井的井列线布置在堤脚线后10m处，为模拟减压井的间距L、贯入强透水层的深度W及井径R三个因素对降低地下水的作用，设计采用有限元分析软件对5中组合方式的125种工况进行了模拟，寻找最优的设计方案，见附表和图2。

根据模拟结果图可以看出：

（1）减压井的贯入度对排水降压效果影响最显著，其次是井距，井径无显著影响。

（2）减压井的贯入度对排水降压效果有一段明显突变区域——浅井变为贯入度为20%深井处，当贯入度为20%～70%时，排水降压基本呈线性增加，超过70%，排水降压效果提高不多。

图1 堤防减压井布置示意图

附表 拟定因素及水平

图2 各工况处理效果图（井间压力水头降低值）

（3）合理经济的减压井布置方案应尽量取合适的贯入度及较大的井距，在便于施工、防淤及洗井的条件下，宜取较小的井径。结合到工程实例，推荐采用30m井距和70%的贯入度，井径考虑到太小深孔护壁较困难建议取30cm（方案L3+W4+R2）。

5 结 语

浸没问题是长沙综合枢纽工程的主要地质危害之一，本文以其为实例，对长沙枢纽库区堤垸的浸没成因进行了分类，提出了减压井处理库水浸没区时应统筹考虑高洪水位和常年稳定水位对浸没范围和危害的影响，其布置要先根据浸没区的压力水头、排渍标准、垸内地质土层结构特性等按减压排浸分析计算初拟的井类型、井深、井径、井距、井列线，然后结合工程造价与施工及运行期维护等综合因素拟定。实际工程中有时为更好地控制区内地下水位，采取减压井与导渗沟或部分段防渗灌浆等多管齐下的方案，此时减压井的设计参数（贯入度、井距、井径）取值不一定遵循本文的研究结论，笔者相信，随着社会环境保护意识的不断提高，在库区浸没处理中减压井的运用将更加广泛。

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