水利工程論文-永久船閘排水洞中仰角、鉛直排水孔排水效果摘要：永久船閘基礎(chǔ)開挖形成了高、陡長的巖石邊坡。為其邊坡穩(wěn)定，采用了兩側(cè)分設(shè)7層排水洞，洞中分別鉆設(shè)排水孔幕，以降低地下水位。排水孔分為仰角、鉛直向上兩類。從排水效果分析、仰角孔的排水量總體上大約為鉛直孔的兩倍，其穿過結(jié)構(gòu)面的數(shù)目亦為鉛直孔的兩倍，排水效果優(yōu)于鉛直孔。關(guān)鍵詞：仰孔鉛孔結(jié)構(gòu)面排水效果永久船閘是三峽工程非常重要的組成部分，由于其深切開挖，形成了集高、陡、長等于一體的世界罕見的巖石邊坡。為了增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，永久船閘采用了南、北邊坡分別布置7層尺寸約為2.5m3.0m或3.0m3.5m的排水洞，并在排水洞鉆設(shè)排水孔幕，以降低地下水位，減少地下水滲壓力。排水孔幕針對不同的巖區(qū)，采用了不同的布置形式：對于一般巖段，采用一排排水孔；對于地下水富集地帶，采用了兩排排水孔，一排靠山體一側(cè)垂直于排水洞壁面仰起一定角度鉆設(shè)(為了敘述方便，以下簡稱“仰孔”如圖l中的a、c孔)，另一排垂直于排水洞壁面通過洞頂鉛直向上鉆設(shè)(以下稱簡“鉛孔”，如圖1中的b孔)。排水孔直徑均為91mm，孔深約為30m。由于仰孔和鉛孔的布置方式不同，其排水效果應(yīng)有所差異。為了弄清兩種排水孔的排水效果，本文對其進(jìn)行了較為詳細(xì)的測量和理論分析。圖l排水孔布置剖面示意圖1仰、鉛孔排水效果觀測及分析對多個排水孔的仰、鉛孔進(jìn)行汛期和汛前兩次觀測，其結(jié)果整理于表l和表2中。測量方法是對同一洞段的仰、鉛排水孔進(jìn)行逐一定時排水測量，然后量取該洞段兩種排水孔各自的總排水量。本處定義仰、鉛排水孔排水量之比Q仰/Q鉛(對于平均或綜合排水比采用Q仰/Q鉛，而不采用=i/n,n為統(tǒng)計的洞段總數(shù))即可反映出仰孔、鉛孔的排水效果優(yōu)劣。表11997年7月汛期施測仰孔和鉛孔排水效果比較洞號洞段孔數(shù)排水量(L/min)所占比例(%)仰、鉛孔排水比仰孔鉛孔合計仰孔鉛孔SA5上游段397.2991.6148.91381.8918.114.52NA5上游段1063.3090.3863.69589.5510.458.57SA6上游段340.6840.0330.71795.404.6020.73NA6上游段317.8765.58213.72857.3742.631.33NA1上游段7649.42513.36162.68678.7221.283.70合計28668.59321.24689.83976.3523.653.23表21998年4月汛期前施測仰孔和鉛孔排水效果比較洞號洞段孔數(shù)排水量(L/min)所占比例(%)仰、鉛孔排水比仰孔鉛孔合計仰孔鉛孔NA1上游段7619.50010.60530.10564.7735.231.84NA3雙排管段150.2240.0710.29575.9324.073.15NA5上游段1199.6670.1979.86498.002.0049.00NA6上游段311.5480.7772.32566.5833.421.99SA2雙排管段10510.41418.83929.25335.6064.400.55合計34641.35330.48971.84257.8642.441.36量測結(jié)果表明，雖然在0.5549范圍內(nèi)變化，在10個測次中只有一次小于l，并且綜合平均排水比均大于1。由此可見，仰孔的排水效果優(yōu)于鉛孔，大約為2倍(表3)。另外，北坡兩次測量的較為穩(wěn)定，而南坡的相差較大。這可能有兩個原因，一是測量期間南坡排水洞正在進(jìn)行排水孔和錨索等施工，兩次沒有測到同一段洞；二是永久船閘區(qū)內(nèi)一直沒有停止施工，滲流場沒有達(dá)到穩(wěn)定。2仰、鉛孔排水效果理論分析表3綜合量測結(jié)果(值)南坡北坡綜合97.7測4.853.093.2398.4測0.552.661.36綜合0.902.931.12巖體滲流主要是結(jié)構(gòu)面滲流，由于仰、鉛排水孔是依次交叉鉆設(shè)的，可以認(rèn)為他們的滲透系數(shù)、水力比降、裂隙開度等是相同的。那么，它們穿過結(jié)構(gòu)面的多少，決定了排水效果的優(yōu)劣。假定結(jié)構(gòu)面成組平行出現(xiàn)。其垂直間距為d，根據(jù)幾何關(guān)系可以導(dǎo)出排水孔在兩結(jié)構(gòu)面間的長度L為(結(jié)構(gòu)面傾向洞內(nèi))(1)(結(jié)構(gòu)面傾向洞外)(2)式中q為結(jié)構(gòu)面傾角；y為排水孔的仰角；z為排水洞軸線與結(jié)構(gòu)面走向的夾角。由于三峽永久船閘排水洞中的排水孔是垂直于壩軸線布設(shè)的，z也相當(dāng)于排水孔軸線與結(jié)構(gòu)面法線的水平投影夾角。式(1)中的絕對值是因為當(dāng)yq后，符號應(yīng)相反。結(jié)構(gòu)面傾向洞內(nèi)和洞外表示排水孔穿過的結(jié)構(gòu)面是傾向洞內(nèi)的(北坡結(jié)構(gòu)面傾向為21201和南坡結(jié)構(gòu)面傾向為20220時)或是洞外的(北坡結(jié)構(gòu)面傾向為20220和南坡結(jié)構(gòu)面傾向為21201時)即相應(yīng)于圖1中a、c孔。事實上，式(2)相當(dāng)于將式(1)y變?yōu)?80-y(以下均作為這種理解)，其幾何意義為，圖1中c孔的仰角為水平線的順時針角，而不看成是反時針角。對于鉛孔，y90代人(1)或(2)均為L=/cosq，(3)在兩種排水孔長度相同的情況下。仰孔與鉛孔穿過的結(jié)構(gòu)面數(shù)目之比應(yīng)為(4)如果1。表明仰孔穿過結(jié)構(gòu)面的數(shù)目多于鉛孔，其排水效果也比較好；如tany=-tanqcoszsinz=0=y=90+qz=0(5)式(5)表明。從結(jié)構(gòu)面法線方向鉆設(shè)排水孔，其穿過的結(jié)構(gòu)面最多，排水效果最好。3仰、鉛孔排水比估算永久船閘排水洞中結(jié)構(gòu)面第一優(yōu)勢方向為NENEE向，平均走向約為66；第二優(yōu)勢方向為NNW向，平均走向約為338；該兩組方向約占75%；傾角大多為陡傾角，優(yōu)勢方向的傾角接近80；傾向21201的結(jié)構(gòu)面約占62%。將以上資料代入式(4)算出或從圖2中查得結(jié)果列于表4。計算結(jié)果表明:仰、鉛孔穿越結(jié)構(gòu)面數(shù)目比綜合平均值為1.96。與實測排水量之比綜合平均2.12相比，非常接近。其變化范圍為0.073.54。實測值也大多在此范圍內(nèi)。并且絕大多數(shù)的1，這與實測值也是比較一致的。表4排水洞仰、鉛孔穿越結(jié)構(gòu)面數(shù)目比仰角v/度456075平均結(jié)構(gòu)面傾向洞內(nèi)(北坡占62%、南坡占38%)2.131.130.071.11結(jié)構(gòu)面傾向洞外(北坡占38%、南坡占62%)3.542.872.002.80北坡加權(quán)平均2.671.790.80