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水利工程论文-永久船闸排水洞中仰角、铅直排水孔排水效果摘要:永久船闸基础开挖形成了高、陡长的岩石边坡。为其边坡稳定,采用了两侧分设7层排水洞,洞中分别钻设排水孔幕,以降低地下水位。排水孔分为仰角、铅直向上两类。从排水效果分析、仰角孔的排水量总体上大约为铅直孔的两倍,其穿过结构面的数目亦为铅直孔的两倍,排水效果优于铅直孔。关键词:仰孔铅孔结构面排水效果永久船闸是三峡工程非常重要的组成部分,由于其深切开挖,形成了集高、陡、长等于一体的世界罕见的岩石边坡。为了增强边坡的稳定性,永久船闸采用了南、北边坡分别布置7层尺寸约为2.5m3.0m或3.0m3.5m的排水洞,并在排水洞钻设排水孔幕,以降低地下水位,减少地下水渗压力。排水孔幕针对不同的岩区,采用了不同的布置形式:对于一般岩段,采用一排排水孔;对于地下水富集地带,采用了两排排水孔,一排靠山体一侧垂直于排水洞壁面仰起一定角度钻设(为了叙述方便,以下简称“仰孔”如图l中的a、c孔),另一排垂直于排水洞壁面通过洞顶铅直向上钻设(以下称简“铅孔”,如图1中的b孔)。排水孔直径均为91mm,孔深约为30m。由于仰孔和铅孔的布置方式不同,其排水效果应有所差异。为了弄清两种排水孔的排水效果,本文对其进行了较为详细的测量和理论分析。图l排水孔布置剖面示意图1仰、铅孔排水效果观测及分析对多个排水孔的仰、铅孔进行汛期和汛前两次观测,其结果整理于表l和表2中。测量方法是对同一洞段的仰、铅排水孔进行逐一定时排水测量,然后量取该洞段两种排水孔各自的总排水量。本处定义仰、铅排水孔排水量之比Q仰/Q铅(对于平均或综合排水比采用Q仰/Q铅,而不采用=i/n,n为统计的洞段总数)即可反映出仰孔、铅孔的排水效果优劣。表11997年7月汛期施测仰孔和铅孔排水效果比较洞号洞段孔数排水量(L/min)所占比例(%)仰、铅孔排水比仰孔铅孔合计仰孔铅孔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合计28668.59321.24689.83976.3523.653.23表21998年4月汛期前施测仰孔和铅孔排水效果比较洞号洞段孔数排水量(L/min)所占比例(%)仰、铅孔排水比仰孔铅孔合计仰孔铅孔NA1上游段7619.50010.60530.10564.7735.231.84NA3双排管段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双排管段10510.41418.83929.25335.6064.400.55合计34641.35330.48971.84257.8642.441.36量测结果表明,虽然在0.5549范围内变化,在10个测次中只有一次小于l,并且综合平均排水比均大于1。由此可见,仰孔的排水效果优于铅孔,大约为2倍(表3)。另外,北坡两次测量的较为稳定,而南坡的相差较大。这可能有两个原因,一是测量期间南坡排水洞正在进行排水孔和锚索等施工,两次没有测到同一段洞;二是永久船闸区内一直没有停止施工,渗流场没有达到稳定。2仰、铅孔排水效果理论分析表3综合量测结果(值)南坡北坡综合97.7测4.853.093.2398.4测0.552.661.36综合0.902.931.12岩体渗流主要是结构面渗流,由于仰、铅排水孔是依次交叉钻设的,可以认为他们的渗透系数、水力比降、裂隙开度等是相同的。那么,它们穿过结构面的多少,决定了排水效果的优劣。假定结构面成组平行出现。其垂直间距为d,根据几何关系可以导出排水孔在两结构面间的长度L为(结构面倾向洞内)(1)(结构面倾向洞外)(2)式中q为结构面倾角;y为排水孔的仰角;z为排水洞轴线与结构面走向的夹角。由于三峡永久船闸排水洞中的排水孔是垂直于坝轴线布设的,z也相当于排水孔轴线与结构面法线的水平投影夹角。式(1)中的绝对值是因为当yq后,符号应相反。结构面倾向洞内和洞外表示排水孔穿过的结构面是倾向洞内的(北坡结构面倾向为21201和南坡结构面倾向为20220时)或是洞外的(北坡结构面倾向为20220和南坡结构面倾向为21201时)即相应于图1中a、c孔。事实上,式(2)相当于将式(1)y变为180-y(以下均作为这种理解),其几何意义为,图1中c孔的仰角为水平线的顺时针角,而不看成是反时针角。对于铅孔,y90代人(1)或(2)均为L=/cosq,(3)在两种排水孔长度相同的情况下。仰孔与铅孔穿过的结构面数目之比应为(4)如果1。表明仰孔穿过结构面的数目多于铅孔,其排水效果也比较好;如tany=-tanqcoszsinz=0=y=90+qz=0(5)式(5)表明。从结构面法线方向钻设排水孔,其穿过的结构面最多,排水效果最好。3仰、铅孔排水比估算永久船闸排水洞中结构面第一优势方向为NENEE向,平均走向约为66;第二优势方向为NNW向,平均走向约为338;该两组方向约占75%;倾角大多为陡倾角,优势方向的倾角接近80;倾向21201的结构面约占62%。将以上资料代入式(4)算出或从图2中查得结果列于表4。计算结果表明:仰、铅孔穿越结构面数目比综合平均值为1.96。与实测排水量之比综合平均2.12相比,非常接近。其变化范围为0.073.54。实测值也大多在此范围内。并且绝大多数的1,这与实测值也是比较一致的。表4排水洞仰、铅孔穿越结构面数目比仰角v/度456075平均结构面倾向洞内(北坡占62%、南坡占38%)2.131.130.071.11结构面倾向洞外(北坡占38%、南坡占62%)3.542.872.002.80北坡加权平均2.671.790.80

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