永久船闸排水洞中仰角、铅直排水孔排水效果

 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。

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
排水比δ

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

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
排水比δ

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(δ值)

南坡

北坡

综合

97.7 测

4.85

3.09

3.23

98.4 测

0.55

2.66

1.36

综合

0.90

2.93

1.12

    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 αq为结构面倾角；
     αy为排水孔的仰角；
     αz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，αz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αy＜αq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21～201°和南坡结构面倾向为202～20°时)或是洞外的(北坡结构面倾向为202～20°和南坡结构面倾向为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。仰孔与铅孔穿过的结构面数目之比α应为

(4)

如果α＞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)图为结构面倾向洞内的情况，(b)图为结构面倾向洞外的情况。

    当已知排水的几何要素。αq、αy、αz，就可直接从图2查出仰孔穿过的结构面数目之比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°的结构面越多，排水效果越好。②陡倾角的结构面越多，仰孔的排水效果就越好。③当 tanαy＝tanαq cosαz时α＝0，即此时仰孔穿过结构面数目为零，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。

表4 排水洞仰、铅孔穿越结构面数目比

仰角αv/度

45

60

75

平均

综合

结构面倾向洞内
(北坡占62%、南坡占38%)

2.13

1.13

0.07

1.11

1.96

结构面倾向洞外
(北坡占38%、南坡占62%)

3.54

2.87

2.00

2.80

北坡加权平均

2.67

1.79

0.80

1.75

1.96

南坡加权平均

3.00

2.21

1.27

2.16

图2 仰、铅孔穿过结构面数目之比与几要素的关系

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、铅孔穿越结构面的几何关系分析可见，仰孔穿过结构面数目综合平均值也约为铅孔的两倍。

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