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2.5m×3.0m或3.0m×3.5m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。 |
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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δ＝Q仰/Q铅(对于平均或综合排水比采用δ＝∑Q仰/Q铅，而不采用δ=∑δi/n,n为统计的洞段总数)δ即可反映出仰孔、铅孔的排水效果优劣。
表1 1997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 | |||
仰孔 | 铅孔 | 合计 | 仰孔 | 铅孔 | ||||
SA5 | 上游段 | 39 | 7.299 | 1.614 | 8.913 | 81.89 | 18.11 | 4.52 |
NA5 | 上游段 | 106 | 3.309 | 0.386 | 3.695 | 89.55 | 10.45 | 8.57 |
SA6 | 上游段 | 34 | 0.684 | 0.033 | 0.717 | 95.40 | 4.60 | 20.73 |
NA6 | 上游段 | 31 | 7.876 | 5.582 | 13.728 | 57.37 | 42.63 | 1.33 |
NA1 | 上游段 | 76 | 49.425 | 13.361 | 62.686 | 78.72 | 21.28 | 3.70 |
合计 |
| 286 | 68.593 | 21.246 | 89.839 | 76.35 | 23.65 | 3.23 |
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表2 1998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 | |||
仰孔 | 铅孔 | 合计 | 仰孔 | 铅孔 | ||||
NA1 | 上游段 | 76 | 19.500 | 10.605 | 30.105 | 64.77 | 35.23 | 1.84 |
NA3 | 双排管段 | 15 | 0.224 | 0.071 | 0.295 | 75.93 | 24.07 | 3.15 |
NA5 | 上游段 | 119 | 9.667 | 0.197 | 9.864 | 98.00 | 2.00 | 49.00 |
NA6 | 上游段 | 31 | 1.548 | 0.777 | 2.325 | 66.58 | 33.42 | 1.99 |
SA2 | 双排管段 | 105 | 10.414 | 18.839 | 29.253 | 35.60 | 64.40 | 0.55 |
合计 |
| 346 | 41.353 | 30.489 | 71.842 | 57.86 | 42.44 | 1.36 |
量测结果表明，δ虽然在0.55～49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δ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δ较为稳定，而南坡的δ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，两次没有测到同一段洞；二是永久船闸区内一直没有停止，渗流场没有达到稳定。 2 仰、铅孔排水效果理论分析 |
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岩体渗流主要是面渗流，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，它们穿过面的多少，决定了排水效果的优劣。假定面成组平行出现。其垂直间距为d，根据几何关系可以导出排水孔在两面间的长度L为
| (面倾向洞内) | (1) |
| (面倾向洞外) | (2) |
式中 αq为面倾角；
αy为排水孔的仰角；
αz为排水洞轴线与面走向的夹角。
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，αz也相当于排水孔轴线与面法线的水平投影夹角。式(1)中的绝对值是因为当αy＜αq后，符号应相反。面倾向洞内和洞外表示排水孔穿过的面是倾向洞内的(北坡面倾向为21～201°和南坡面倾向为202～20°时)或是洞外的(北坡面倾向为202～20°和南坡面倾向为21～201°时)即相应于图1中a、c孔。事实上，式(2)相当于将式(1)αy变为〔180°-αy〕(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，αy＝90°代人(1)或(2)均为
L=α/cosαq， (3)
在两种排水孔长度相同的情况下。仰孔与铅孔穿过的面数目之比α应为
| (4) |
如果α＞1。表明仰孔穿过面的数目多于铅孔，其排水效果也比较好；如α<1则表明铅孔的排水效果优于仰孔。图2是根据式(1)绘制的α与各种几何要素的关系式，其中(α)图为面倾向洞内的情况，(b)图为面倾向洞外的情况。
当已知排水的几何要素。αq、αy、αz，就可直接从图2查出仰孔穿过的面数目之比α，即可估计出它们的排水效果。同时可看出：①对比(a)、(b)两图可发现，穿过倾向为21～201°的面越多，排水效果越好。②陡倾角的面越多，仰孔的排水效果就越好。③当 tanαy＝tanαq cosαz时α＝0，即此时仰孔穿过面数目为零，其排水量可能为零，反应在图2中就是曲线与αq坐标轴的交点。④αz和αy越小，排水效果越好；将式(4)对αy和αz求偏导，并令其等于零则有
| } | => | tanαy=-tanαqcosαz sinαz=0 | } | => | { | αy=90°+αq αz=0 | (5) |
式(5)表明。从面法线方向钻设排水孔，其穿过的面最多，排水效果最好。
3 仰、铅孔排水比估算
永久船闸排水洞中面第一优势方向为NE～NEE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21～201°的面约占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。结果表明:仰、铅孔穿越面数目比α综合平均值为1.96。与实测排水量之比δ综合平均2.12相比，非常接近。其变化范围为0.07～3.54。实测值也大多在此范围内。并且绝大多数的α＞1，这与实测值也是比较一致的。
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4 结论
对三峡永久船闸排水洞中仰、铅排水孔效果测量分析，仰孔的排水量大约为铅孔的两倍。对仰、铅孔穿越面的几何关系分析可见，仰孔穿过面数目综合平均值也约为铅孔的两倍。