7.2 防渗排水设计

7.2.1 泵站和其他水工建筑物一样，地基防渗排水布置是设计中十分重要的环节，尤其是修建在江河湖泊堤防上和松软地基上的挡水泵站。根据已建工程的实践，工程的失事多数是由于地基防渗排水布置不当造成的。因此，应高度重视，千万不可疏忽大意。
    泵站地基的防渗排水布置，即在泵房高水位侧（出水侧）结合出水池的布置设置防渗设施，如钢筋混凝土防渗铺盖、垂直防渗体（钢筋混凝土板桩、水泥砂浆帷幕、高压喷射灌浆帷幕、混凝土防渗墙）等，用来增加防渗长度，减小泵房底板下的渗透压力和平均渗透坡降；在泵房低水位侧（进水侧）结合前池、进水池的布置设置排水设施，如排水孔（或排水减压井）、反滤层等，使渗透水流尽快地安全排出，并减小渗流出逸处的出逸坡降，防止发生渗透变形，增强地基的抗渗稳定性。至于采用何种防渗排水布置，应根据站址地质条件和泵站扬程等因素，结合泵房和进出水建筑物的布置确定。对于黏性土地基，特别是坚硬黏土地基，其抗渗透变形的能力较强，一般在泵房高水位侧设置防渗铺盖，加上泵房底板的长度，即可满足泵房地基防渗长度的要求，泵房低水位侧的排水设施也可做得简单些；对于砂性土地基，特别是粉砂、细砂地基，其抗渗透变形的能力较差，要求的安全渗径系数较大，通常需要设置防渗铺盖和垂直防渗体（或相结合的防渗设施），才能有效地保证抗渗稳定安全，同时对排水设施的要求也比较高。对于岩石地基，如果防渗长度不足，只需在泵房底板高水位侧（出水侧）增设齿墙，或在齿墙下设置灌浆帷幕，其后再设置排水孔即可。泵站扬程较高，防渗排水布置的要求也较高；反之，泵站扬程较低，防渗排水布置的要求也较低。
    同上述正向防渗排水布置一样，对侧向防渗排水布置也应认真做好，不可忽视。侧向防渗排水布置应结合两岸连接结构（如岸墙，进出口翼墙）的布置确定。一般可设置防渗刺墙、垂直防渗体等，用来增加侧向防渗长度和侧向渗径系数。但应指出，要特别注意侧向防渗排水布置与正向防渗排水布置的良好衔接，以构成完整的防渗排水系统。
7.2.2 当土基上泵房基底防渗长度不足时，一般可结合出水池布置，在其底板设置钢筋混凝土防渗铺盖、垂直防渗体或两者相结合的布置形式。为了防止和减少由于地基不均匀沉降、温度变化和混凝土干缩等产生的裂缝，铺盖应设永久变形缝。根据已建的泵站工程实践，永久变形缝间距不宜大于20m，且应与泵房底板的永久变形缝错开布置，以免形成通缝，对基底防渗不利。
    由于砂土或砂壤土地基容易产生渗透变形，当泵房基底防渗长度不足时，一般可采用铺盖和垂直防渗体相结合的布置形式，用来增加防渗长度，减小泵房底板下的渗透压力和平均渗透坡降。如果只采用铺盖防渗，其长度可能需要很长，不仅工程造价高，不经济，而且防渗效果也不理想。因此，铺盖应和垂直防渗体结合使用，才有可能取得最佳的防渗效果。垂直防渗体是垂直向的防渗设施，比作为水平向防渗设施的铺盖防渗效果好，而且工程造价低。在泵房底板的上下游端，一般常设有深度不小于0.8m～1.0m的浅齿墙，既能增加泵房基底的防渗长度，又能增加泵房的抗滑稳定性。齿墙深度最深不宜超过2.0m，否则施工有困难，尤其是在粉砂、细砂地基上，在地下水水位较高的情况下，浇筑齿墙的坑槽难以开挖成形。垂直防渗体的长度也应根据防渗效果好和工程造价低的原则，并结合施工方法确定。在一般情况下，垂直防渗体宜布置在泵房底板高水位侧的齿墙下，这对减小泵房底板下的渗透压力效果最为显著。垂直防渗体长度不宜过长，否则，不仅在经济上不合理，而且又增大施工难度。
    在地震动峰值加速度大于或等于0.10g地震区的粉砂或细砂地基上，泵房底板下的垂直防渗体布置宜构成四周封闭的形式，以防止在地震荷载作用下可能发生粉砂或细砂地基的液化破坏，即地基产生较大的变形或失稳，从而影响泵房的结构安全。
    根据泵站工程的运用特点，在以水压力为主的水平向荷载作用下，泵房底板与地基土之间应有紧密的接触，以避免形成渗流通道，因此为了保证基底的防渗安全，土质地基上的泵房桩基一般采用摩擦型桩（包括摩擦桩和端承摩擦桩）。如果采用端承型桩（包括端承桩和摩擦端承桩），底板底面以上的作用荷载几乎全部由端承型桩承担，直接传递到下卧岩层或坚硬土层上，底板与地基土的接触面上则有可能出现“脱空”现象，加之地下渗流的作用，造成接触冲刷，从而危及泵房安全。因此，在防渗段底板下不得已采用端承型桩时，为了防止底板与地基土的接触面产生接触冲刷（这是一种十分有害的渗流破坏形式），应采取有效的基底防渗措施，例如在底板上游侧设防渗板桩或截水槽，加强底板永久缝的止水结构等。
    为了减小泵房底板下的渗透压力，增强地基的抗渗稳定性，在前池、进水池底板上设置适量的排水孔，在渗流出逸处设置级配良好、排水通畅的反滤层，这和在泵房基底防渗段设置防渗设施具有同样的重要性。排水孔的布置直接关系到泵房底板下渗透压力的大小和分布状况。排水孔的位置愈往泵房底板方向移动，泵房底板下的渗透压力就愈小，泵房基底的防渗长度随之缩短，作为防渗设施的铺盖、垂直防渗体需做相应的加长或加深。排水孔孔径一般为50mm～100mm，孔距为1m～2m，呈梅花形布置。反滤层一般由2层～3层，每层厚150mm～300mm的不同粒径无黏性土构成，每层层面应大致与渗流方向正交，粒径应沿着渗流的方向由细变粗，第一层平均粒径为0.25mm～1mm，第二层平均粒径为1mm～5mm，第三层平均粒径为5mm～20mm。
    当地基持力层为不透水层，其下为深厚的相对透水层时，为了消减承压水对泵房和覆盖层稳定的不利影响，必要时，可在前池、进水池设置深入相对透水层的排水减压井，但绝对不允许将排水减压井设置在泵房基底防渗段范围内，以免与泵房基底的防渗要求相抵触。
7.2.3 当地基持力层为较薄的透水层（如砂性土层或砂砾石层），其下为深厚的相对不透水层时，可设截水槽或防渗墙，但截水槽或防渗墙应截断透水层。为了保证良好的防渗效果，截水槽或防渗墙嵌入不透水层的深度不应小于1.0m，其下卧层为岩石时，截水槽或防渗墙嵌入岩石的深度不应小于0.5m。
7.2.5 铺盖长度应根据防渗效果好和工程造价低的原则确定。从渗流观点看，铺盖长度过短，不能满足防渗要求；但铺盖长度过长，其单位长度的防渗效果也会降低，是不经济的。因此，本标准规定，铺盖长度要适当，可采用上下游最大水位差的3倍～5倍。
    混凝土或钢筋混凝土铺盖的厚度，一般根据构造要求确定。为了保证铺盖防渗效果和方便施工，混凝土或钢筋混凝土铺盖最小厚度不宜小于0.4m，一般做成等厚度形式。根据国内经验，当地基土质较好时，永久缝的缝距不宜超过15m～20m；土质中等时，不宜超过10m～15m；土质较差时，不宜超过8m～12m。因此，本标准规定，混凝土或钢筋混凝土铺盖顺水流向的永久缝缝距可采用8m～20m。为了减轻翼墙及墙后回填土重量对铺盖的不利影响，靠近翼墙的铺盖，缝距宜采用小值。
    防渗土工膜的厚度应根据作用水头、膜下土体可能产生裂隙宽度、膜的应变和强度等因素确定。根据泵站工程的实践经验，采用的土工膜厚度不宜小于0.5mm。在敷设土工膜时，应排除膜下积水、积气，防渗土工膜上部可采用水泥砂浆、砌石或预制混凝土块进行防护。
    黏土铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，要求铺盖任何部位的厚度均不得小于该部位铺盖顶、底面水头差与允许水力坡降的比值，黏土的允许水力坡降值一般采用4～6。但为了保证铺盖碾压施工质量，黏土铺盖前端最小厚度不宜小于0.6m。根据江苏、浙江等省泵站工程的实践经验，黏土铺盖前端厚度一般为0.6m～0.8m，逐渐向下游方向加厚至1.0m～1.5m。为了保证黏土铺盖与泵房底板的可靠连接，防止沿接触面产生冲刷，铺盖末端应做成大梯形断面形式，同时铺盖与底板之间应铺设油毛毡止水。为了保护黏土铺盖表面不受水流冲刷，铺盖上面应设保护层。
    在寒冷和严寒地区，为了防止冻融破坏，混凝土、钢筋混凝土铺盖或黏土铺盖均应避免冬季暴露于大气中。
7.2.6 钢筋混凝土板桩的厚度及宽度主要根据防渗要求和打桩设备条件确定。根据泵站工程实践经验，钢筋混凝土板桩最小厚度不宜小于0.2m，宽度不宜小于0.4m，这样既可满足防渗要求，也可满足结构刚度要求，同时也便于施工，便于在板桩侧面设置齿槽。
    灌注式水泥砂浆帷幕和高压喷射灌浆帷幕都是国内近年来逐渐推广采用的垂直防渗体，根据防渗要求和施工条件，水泥砂浆帷幕或高压喷射灌浆帷幕的最小厚度一般不宜小于0.1m。
    水泥土搅拌桩防渗墙按施工工艺有单桩或双桩套打以及多头小直径等几种成墙方法。对于上述成墙方法中，单桩套打成墙方法简单，但如果深度要求较深时，下部桩体之间容易“开岔”，不易保证防渗墙的闭合作用，所以，用于防渗墙深度要求较小的工程比较合适。对于重要的工程，为保证防渗墙的防渗效果宜采用双排套打的施工工艺。如采用多头小直径施工工艺的成墙方法，只要采取套接一孔法的方式，是完全能够保证防渗墙闭合的，对于防渗墙前后作用水头较大的，还可以采用双排多头小直径的成墙方法。水泥土搅拌桩防渗墙的最小有效厚度取决于设备的情况，单桩套打工艺一般桩径600mm、桩距400mm～450mm，防渗墙最小有效厚度在0.35m左右，采用双排套打时就更大了。故要求水泥土搅拌桩防渗墙最小有效厚度不宜小于0.35m。
    混凝土防渗墙（含塑性混凝土防渗墙）的厚度主要是根据成槽器开槽尺寸确定的，如采用“射水法”成槽，其厚度一般不宜小于0.2m，经一些工程的现场测试验证，墙体防渗效果较好。如果墙体厚度小于0.2m，不但混凝土浇筑较困难，而且极易发生塌槽现象，影响工程质量。随着液压成槽技术的发展，防渗墙的厚度也可以根据需要加厚了。
    地下垂直防渗土工膜的最小厚度是根据工程实践经验确定的。土工膜太薄可能产生气孔，同时也易在施工中受损，减小防渗效果。一般可用于两侧土堤的侧向防渗。
    土基上垂直防渗体的刚度远小于上部底板的刚度，且垂直防渗体的强度也不高（但相对地基土还是高的），当底板发生不均沉降时，防渗体上部易被压坏，故垂直防渗体上部与底板间宜采取柔性连接。该处连接一般是将垂直防渗体嵌入底板，根据计算的上部沉降量和垂直防渗体的变形值来确定垂直防渗体顶部与泵房底板或铺盖底板接头处的永久缝宽。根据统计的资料，一般垂直防渗体嵌入泵房底板或铺盖底板侧边的缝宽在50mm，墙顶部的缝宽在50mm～100mm之间，缝内布置的止水与上部止水应可靠连接封闭，缝内填充沥青等柔性封水材料。
7.2.7 为了防止水流通过永久变形缝渗入泵房，在水下缝段应埋设材质耐久、性能可靠的止水片（带）。对于重要的大型泵站，应埋设2道止水片（带）。目前常用的止水片（带）有紫铜片、塑料止水带和橡胶止水带等，可根据承受的水压力、地区气温、缝的部位及变形情况选用。
    止水片（带）的布置应对结构的受力条件有利。止水片（带）除应满足防渗要求外，还能适应混凝土收缩及地基不均匀沉降的变形影响，同时材质要耐久，性能要可靠，构造要简单，还要方便施工。
    在水平缝与水平缝、水平缝与垂直缝的交叉处，止水构造应妥善处理；否则，很有可能形成渗漏点，破坏整个结构的防渗效果。交叉处止水片（带）的连接方式有柔性连接和刚性连接两种，可根据结构特点、交叉类型及施工条件等选用。对于水平缝与垂直缝的交叉，一般多采用柔性连接方式；对于水平缝与水平缝的交叉，则多采用刚性连接方式。
7.2.8 对于不设置岸墙、利用边墩直接挡土的泵站，为增加侧向接触面的渗径，建议在边墩临土侧设置构造刺墙，作用和底板齿墙类似。
7.2.9 对于双向扬程的灌排结合泵站，需要布置双向防渗排水设施。如果双向水位差不同，则应以水头较大的一向为主。由于防渗排水设施的布置直接影响到扬压力的变化，因此，双向防渗排水设施的布置应根据工程实际情况合理选择。
7.2.12 排水沟的宽度应随透水层的厚度增大而加宽，一般不宜小于2.0m。排水沟内应按滤层结构要求敷设导渗层，排水沟的深度取决于导渗层需要的厚度，排水沟侧壁最好用混凝土齿墙阻挡，以使渗水全部按由下而上的方向出逸。排水沟盖板上应设冒水孔，盖板的厚度应满足在脉动压力作用下不被掀翻的要求。
    根据三相电模拟试验成果，排水井井管内径采用0.2m～0.3m时，减压效果最佳。当井径超过0.3m时，减压效果增加不大，不经济。为了方便施工和抽水洗井，井径不宜小于0.2m。