粉細砂河床上的泄水閘設計

郭紅亮馬　瑞肖　艷

粉細砂河床上的泄水閘設計

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一、泄水閘基本情況

平原地區某干流上大型泄水閘的建筑物級別為1級，最大下泄流量約15000m3/s，擋水最大水頭差7.15m。泄水閘共56孔，單孔凈寬14 m，過流總寬784m，前緣總寬953m。閘室采用兩孔一聯整體式結構，閘段寬34m。閘底板高程29.5m，厚度2.5m，順流向長度25m，建基面高程27m。閘墩頂部高程44.7m。

泄水閘采用底流消能方式，消力池長 29m，池深 0.5m，池底高程27.5m，尾部設消力檻，檻頂高程28.5m。消力池后接海漫、拋石防沖槽等設施。

二、粉細砂閘基的主要問題

閘基上層為粉細砂層，局部含泥或夾有淤泥質透鏡體，平均厚度約25m；下層為砂礫石層，平均厚度30m。基巖埋深約55m。粉細砂結構松散，平均標貫擊數為8擊，孔隙比e一般在0.75～0.9之間，承載能力特征值為120kPa，內摩擦角26°。粉細砂閘基的主要問題為：

1.飽和砂土液化問題

工程區地震設計烈度為Ⅵ度。飽和粉細砂粘粒含量為6.3%～7.8%，采用多種判據綜合判斷，在地震條件下存在液化可能，液化深度主要在建基面以下12m以內。

2.防沖和滲透穩定問題

粉細砂中值粒徑0.09～0.18mm，抗沖流速小（水深1m時其值為0.20～0.25m/s），泄水閘最大過閘單寬流量超過20m2/s，下游防沖問題突出。粉細砂允許滲流坡降為0.20～0.30，滲控要求高。

3.地基沉降量大

粉細砂層厚度大，結構松散，壓縮模量小（13MPa），水閘沉降不滿足對沉降量控制不超過15cm的要求。

三、泄水閘地基處理

地基處理的目的是控制沉降量和消除飽和砂土液化潛勢。比較強夯法、振沖法和水泥土攪拌樁法后，初步選擇采用攪拌樁法處理泄水閘地基。

水泥土攪拌樁適用于處理正常固結的淤泥與淤泥質土、粉土、粘性土及無地下水流動的飽和松散砂土等地基。水泥土加固體可布置成各種形狀，形成的復合地基能大幅度提高地基壓縮模量，顯著減小地基沉降。格柵式攪拌樁可以約束地震時地基的剪切變形，提高地基抗液化能力。

但用于該工程需解決兩個關鍵問題：一是該法大多數是處理粘性軟土，摩阻力較小，大面積用于處理摩阻力大的砂層的適用性和工效問題需解決；二是基坑中地下水位呈現漏斗形態，最大水力梯度約0.06，在有流動地下水的地基中能否保證成樁質量。通過室內和現場試驗研究，證明攪拌樁適用于該工程，有流動地下水的條件下通過適當增加摻灰量能保證成樁質量。

試驗后樁徑選用600mm，樁長根據抗液化深度要求確定為12m，用沉降量控制要求進行校核，要求樁體28d抗壓強度值不小于2.5MPa。

抗液化采取格柵式布置（樁間搭接150mm），格柵間距約為樁長的一半。格柵布置還兼顧閘室底板受力特點，與兩孔一聯結構相對應，分塊尺寸為25m× 34m（順水流向×橫流向），每個分塊內順水流向布置五排樁，排間距分別約5～6m；橫流向布置6排樁，中墩下布置2排，邊墩下布置1排，閘孔中間部位布置1排，排間距分別為7.65m。此布置有利于減小底板中部的負彎矩。格柵內還布置4根單樁調整地基的均勻性。攪拌樁置換率約20%，樁總長約28萬m。

施工前進行了室內配合比試驗和生產性試驗，確定水泥摻量為18%（標號為P.O42.5），水灰比1∶1，漿液密度1.51g/cm3，施工工藝為兩沉兩升，下沉和提升最大速度不超過0.67m/s，首次下沉和提升噴漿量為總量的60%，第二次循環為總量的40%，水泥漿壓力不小于0.5MPa。

生產性試驗也發現，粉細砂地基遇漿時自密性較強，容易產生板結，攪拌樁機在提升時阻力較大，一般鏈條式深攪機由于功率偏小、傳動軸及連接八爪材質強度不足、提升能力有限而不能滿足在粉細砂中施工，因此對設備要加以選擇。泄水閘施工中選用了SPM-5Ⅲ型深攪機，對深攪設備鉆頭進行改進，由平面攪拌葉片改進成30°左右的傾斜葉片，并加焊了攪拌葉片，以減少在粉細砂層中的阻力。

四、泄水閘下游防沖

粉細砂粒徑小、無粘性、抗沖能力低，水下休止角小，一旦出現沖刷則深度大、發展過程快、擴散范圍大，溯源沖刷直接危及泄水閘安全，補救難度大。為確保工程安全，泄水閘采取柔性海漫水平防沖與地下連續墻垂直防淘相結合的防沖措施。

泄流經過底流消能后，出消力池水流紊動仍較劇烈，底部流速大，還必須設置海漫進一步消減剩余能量，調整流速分布，使水流接近天然流態，減輕對下游河床的沖刷。經計算和試驗確定海漫長度為70m。按抗沖要求、作用不同將海漫分為剛性和柔性兩部分，海漫前20m為剛性海漫，采用的是50cm厚的常規鋼筋混凝土結構；后50m為柔性海漫。

柔性海漫起始斷面高程28m，與末端防沖槽相接處高程25.5m，布置上向下游傾斜，坡度1∶20，以逐步增加水深，緩減流速，進一步消能同時調整流速分布。這部分海漫應具有一定柔性、透水性和表面粗糙性。常用海漫型式如堆石、干砌石、格賓海漫等為散粒體，沒有整體性，出現局部損壞時流態惡化易向周邊擴大，施工質量保證難度大。為此設計了嵌套式混凝土柔性海漫。從粉細砂河床表面自下而上，柔性海漫構造依次為土工布（400g/m2）、碎石墊層（厚度20cm，粒徑2～4cm）、土工網（CE121）和嵌套混凝土塊體。拼裝后面積開孔率為26%。塊體厚度為25cm，單塊重量約79kg。塊體強度等級為C20，采用干硬性混凝土擠壓成型。經模型試驗驗證，其整體性優良，抗沖能力強。

柔性海漫抗沖能力強的前提為土工布、碎石墊層施工不出現缺陷，為確保出現局部損壞也不危及泄水閘主體的安全，阻止溯源沖刷，在海漫下游端齒槽下設置垂直防淘墻，墻體采用鋼筋混凝土地下連續墻，混凝土強度為C30，墻頂與海漫通過鋼筋連接。

垂直防淘墻設計防護深度依據模型試驗成果概化確定。模型試驗中未考慮土工布和碎石墊層所起隔離作用，模擬出現的施工缺陷。根據試驗成果，柔性海漫出現整體性塌陷，中部最大塌陷深度為16.2m，剛性海漫與柔性海漫相接處塌陷深度為5.8m。概化取最大塌陷深度的一半即8.1m作為防淘墻的設計防護深度。

地下連續墻與剛性海漫的連接按鉸接處理。按墻后沖刷達到設計防護深度后墻身能滿足嵌固穩定要求，確定深度為12m，墻底高程為15m。墻厚及結構配筋按墻頂鉸接的支護結構計算，墻厚60cm，墻體上下游兩側單寬分別布置5根直徑18mm和22mm的鋼筋。

五、泄水閘滲控及反濾保護

1.滲控設計

泄水閘采用攪拌樁處理地基，攪拌樁滲透系數可以達到i×10-6cm/s，但考慮垂直度控制誤差，格柵下部搭接厚度保證較難，因此不計其對粉細砂滲透性的影響。

滲控設計經技術經濟比較，采用塑性混凝土防滲墻垂直防滲為主、鋼筋混凝土水平鋪蓋防滲為輔的防滲型式。水平鋪蓋長30m，厚50cm，底板與閘室平齊，兼起防沖作用。鋪蓋順流向設有一道分縫，橫流向分縫位置對應于閘孔正中，分縫長度17m，所有分縫處都設有銅止水。防滲墻設于閘室前端齒槽下，墻底高程10m，厚40cm，墻頂伸入齒槽內30cm，墻頂與齒槽間設有止水和瀝青柔性接頭。防滲墻技術指標為：抗壓強度R28≥3MPa，彈性模量E28＜2500MPa，滲透系數K＜i×10-7cm/s，允許破壞比降［J］＞50。

2.反濾設計

粉細砂作為最容易發生滲透變形的土體，反濾設計尤為重要。反濾層設在滲流出口段的消力池、剛性混凝土海漫下面，總厚度65～75cm，從下到上分為三層：最下為粗砂層，厚30cm，對粉細砂進行反濾保護，是反濾層設計的關鍵層；往上是粒徑1～2cm瓜米石，厚20cm；最后是粒徑2～4cm碎石層，厚15～25cm。

為確保粗砂對粉細砂起到良好反濾保護作用，在消力池和海漫等滲流出口段部位對表層粉細砂現場取樣18點，在粗砂來源河段取樣4處12點，進行顆分和室內反濾試驗研究。試驗表明，天然粗砂對粉細砂能起到一定反濾保護作用，但效果還不夠理想，篩除小于0.5mm以下顆粒后，反濾保護作用優良。根據試驗成果，要求對粗砂進行沖洗篩分，控制小于0.5mm以下顆粒含量不超過2.5%。沖洗篩分宜結合采砂工作進行。瓜米石顆粒級配包絡曲線根據太沙基反濾準則計算確定。

六、結語

該大型泄水閘主要特點是河床粉細砂層深厚，厚度大結構松散，壓縮模量低，地基沉降量大；粉細砂粒徑小，抗沖能力低，易滲透變形；粉細砂還存在飽和砂土液化問題。地基處理、下游防沖保護、滲控和反濾保護是泄水閘設計的關鍵技術問題。在試驗研究的基礎上，將攪拌樁用于大范圍處理粉細砂地基取得成功。下游防沖保護為柔性海漫水平防沖與地下連續墻垂直防淘相結合，整體性好，具有安全冗余。以篩選的天然粗砂作為反濾料，反濾保護作用優良。泄水閘投入運用以來，各項監測數據表明運用情況良好■

（作者單位：1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司4300102.淮委治淮工程建設管理局233001）

（專欄編輯：顧梅）