新型可装卸反滤排水管在水闸工程中的应用

许思群

(广州市流溪河灌区总管理处,广东 广州 510900)



新型可装卸反滤排水管在水闸工程中的应用

许思群

(广州市流溪河灌区总管理处,广东 广州 510900)

反虑排水设施在水利工程中往往是关键部位。大坳拦河闸坝结合工程实际,创新设计了一款便于装卸、清洗的反滤排水管,解决了排水管淤堵的难题。试运行表明,这种排水管能有效排出工程渗流,降低工程扬压力；同时,该新型排水管适合工业化生产,质量可控,维护方便,更有利于工程管理。

水闸；排水管；渗流

水闸的排水设施是减少水闸工程扬压力,确保水闸安全的重要设施。排水设计是水闸工程设计的重要组成部分,目前工程中一般采用的排水设计方式有平铺式及竖井式,其中在水闸下游安装排水管是最常用的一种排水方式。通常的做法是采用PVC管一端包裹土工布,安装在混凝土中。这种方式一次成型,在工程运行过程中经常因为淤泥堵塞,造成排水孔失效,给水闸工程造成安全隐患。大坳拦河闸坝工程,经过多年的运行经验,对传统的排水管进行了改进,有效地解决了此类问题,为工程管理带来了极大的方便。

1 大坳拦河闸坝工程概况

大坳拦河闸坝是广州市流溪河灌区的渠首枢纽工程。设计灌溉从化市、花都区和白云区2.76万hm2农田,有效灌溉面积2.035万hm2,是广州市重要水利工程。闸坝最大过闸流量为2 265 m3/s,工程等别为Ⅱ等,主要建筑物级别2级,按50年一遇洪水设计,100年一遇洪水校核；下游消能防冲建筑物洪水标准按50年一遇设计。工程建在河流冲积层上,主要地质为砾质粗砂,饱和,中密,级配良好,含约5%～20%卵石及10%～30%圆砾,少量泥质。

2006—2009年对拦河闸坝消能设施进行了除险加固,在闸坝上游设置了混凝土防渗墙,在闸坝下游设置了一道锁砂墙。改建后闸室下游消能防冲设施总长81 m,包括消力池、护坦、抛石海漫设施。大坳拦河闸坝加固剖面如图 1所示。

图1 大坳拦河闸坝加固剖面示意(单位：高程m,尺寸mm)

2 工程排水存在的问题

改建后工程有两个显著特点：一是消力池连接段比较长,达到41 m。二是在闸坝下游设置了一道深度6 m的混凝土连续墙。这两个特点都对消能设施的稳定造成了不利的影响。消力池连接段过长,连接段所受的扬压力矩就大,容易失稳；下游消能设施末端设置的地下连续墙,应对下游河床冲刷变形,维护工程区域内地基的稳定有很好的作用,但是对渗流来说却是不利的,不能有效地排除地下渗流,就会进一步增大工程扬压力。为了解决这个矛盾,就需要有效设置排水,快速降低扬压力。为此,消力池、护坦及海漫段均铺设了Ф50 mm PVC排水孔,间距2 m,共1 677个。2008年6月,工程行洪期间,监测到下游渗流有异常。洪水过后,对所有排水孔进行了检查,发现90%的排水孔经过1 a运行之后都被淤泥堵塞失效,不能有效排除地下渗流,进而引起扬压力异常。

3 排水管改进设计和安装

3.1 排水管失效原因分析

总结该工程中的实际情况,排水管失效原因：一是原设计排水管的孔径过小,直径只有5 cm。“根据三向电模拟试验成果,排水井管井内径采用0.2～0.3 m时,减压效果最佳”。本工程的排水管直径明显偏小。二是设计的理想环境和实际的施工工艺以及运行环境存在很大差别。目前，水利工程施工中排水管施工通常采用的是PVC管一端包裹土工织物或者在排水孔中填反滤料等方法,以期地下水流能够顺利从排水管中排出,但由于实际工程运行中,特别是洪水期间,水体中含有较多的淤泥质颗粒,洪水过后,淤泥沉积,渗入排水管中,造成排水孔绝大部分堵塞失效。排水体设置完成后成为工程的一部分,无法拆除改造,清洗困难,失效后恢复排水不易。

3.2 排水管设计思路

如何改进排水管设计,解决排水孔维修维护等问题,确保工程安全,对于工程管理者来说,至关重要。改进设计中的设计思路：一是要适当增加排水管孔径,以增大排水能力。二是将排水管布置适当靠前,降低连接段扬压力。本工程中,消力池连接段长度达到 41 m,在同类工程中较为少见,为确保工程稳定,经过论证,消力池和闸室连接段的下半部也布设排水管。排水管靠前布设,将减少渗径,增大渗透压力,可能会导致坝体类的土体发生渗透变形,因此要做好排水管的反滤措施。三是结合工程运行环境,排水管堵塞之后能够拆除进行清洗,方便工程管理,同时也提高工程安全性能。

3.3 新型可拆卸反滤排水管的设计及制作安装

根据设计要求,要满足可以反复拆卸和清洗,必须采用坚固耐用材料,而且排水管长期位于水下,同时要满足耐腐蚀要求。大坳拦河坝采用不锈钢管。 采用直径100 mm,壁厚2 mm不锈钢管,在管壁上交错打孔,孔径10 mm,孔距50 mm(中心点),呈等腰三角形错开分布。底部用6 mm不锈钢条间距3 mm焊接封底。 內填反滤料后采用6 mm不锈钢条间距3 mm焊接封口。

反滤料设计：合理的反滤层要满足两个相互矛盾的要求：①反滤料必须具有足够小的孔隙,以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。②透水性大于被保护土层,能通畅地排出渗透水流,同时不致被细粒土淤塞而失效,这就要求反滤料必须具有足够大的孔隙。本工程建在砂基之上,主要针对反滤土层为粗中砂,工程设计中,浇筑混凝土前铺填了20 cm厚的碎石垫层做了反滤,根据试验,本工程直接采用级配良好的碎石填充,分为三层：第一层采用0～5 mm碎石,第二层采用10～30 mm碎石,第三层采用20-40 mm碎石。设计如图2所示。

图2 排水管及反滤体设计示意(单位：mm)

排水管安装：大坳拦河坝排水孔后期进行了扩孔,将原先的直径50 mm改为105 mm,反滤排水管直径为100 mm,先将排水孔孔内回填至安装高度,然后将反滤排水管安装进水工建筑物的排水孔中,顶部用不锈钢双向螺栓锁紧,如图3所示。

图3 反滤排水管安装示意(单位：mm)

间隙处理：排水孔和排水管间隙采用O型密封圈密封,管口采用玻璃胶进行封口,以防止土颗粒从间隙中流失。如图4所示。

图4 排水管孔口处理示意

4 改进后效果

1) 排水管经过改进后,效果明显,有效增大了工程的排水性能。大坳拦河闸坝排水管安装施工时间2013年10月28日至11月7日,为管理人员对排水管安装前后相同闸前水位情况下实测渗压数据进行了对比,安装之后,各测点的渗压明显减少,普遍减少2%～3%。如表1所示。

表1 排水管改造前后实测扬压力对比 m

2) 可批量生产,质量可靠。新型可装卸反滤排水管可以在工厂直接批量生产,反滤料填充质量、排水管的透水性等指标可以直接通过试验检测,比现场施工质量更有保证。

3) 易于维护,方便管理。新型可装卸反滤排水管可以随时装卸,发现排水不畅时,可以个别拆除清洗,恢复功能,给排水管的维护以及水利工程管理带来很大的方便。

4) 透水性强,安全性高。新型可装卸反滤排水管内部的反滤料采用不同级配分层填充,每一层级配良好,既能保证排水管有良好的透水性,又能保证排水管的反滤体不会产生渗透破坏。

5) 使用寿命长,维护成本低。新型可装卸反滤排水管采用不锈钢管,在水下能够运行10 a以上不生锈,运行维护时可以方便拆装,个别更换清洗,恢复使用,为工程维护节省大量的人力和物力。如图5所示。

图5 排水管批量生产和运行后清洗示意

5 结论

1) 排水管是水利工程中广泛使用的简单设施,对工程的扬压力降低起着重要的作用,排水管的堵塞是工程失事的一大重要因素,应该引起设计、施工、工程管理各方的高度关注。

2) 改进后的可装卸排水管设计新颖,综合考虑工程运行环境,易于维护,在工程管理中有所创新,为工程维护以及水利工程管理带来很大的方便。

[1] 曹洪.广州市流溪河大坳拦河坝渗流分析报告[R].广州：华南理工大学，2013.

[2] 胡海英.广州市流溪河大坳拦河坝安全鉴定综合报告[R].广州：珠江水利科学研究院，2010. [3] 陈宝华,张世儒.水闸[M].北京：水利电力出版社,2003.

[4] 刘亚莲,李存,晏成明.水工建筑物设计技术[M]. 广州：华南理工大学出版社,2012.

(本文责任编辑 王瑞兰)

Application of New Removable Filter Drainpipe to Gate Dam

XU Siqun

(General Management Office of Liuxihe Irrigation District, Guangzhou 510900, China)

Filter drainpipe is the key section to water conservancy infrastructure. Based on engineering practice in Da’ao gate dam, a new-designed removable filter drainpipe is easy and simple for disassembling and cleaning, which solves difficult problems of silt. Test results show that the drainpipe can effectively discharge the seepage and reduce the uplift pressure of the project. Meanwhile, the new drainpipe is suitable for industrial production, controllable quality, easy maintenance, and more conducive to project management.

sluice gate； drainpipe； seepage

2016-03-07;

2016-03-28

许思群(1975)，女，本科，工程师，从事水闸工程管理工作。

TV66

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1008-0112(2016)02-0015-04