涵洞式水閘黏土防滲體破壞機(jī)理研究

張開來，潘維宗，馮義武

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南250061；2.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南250014）

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涵洞式水閘黏土防滲體破壞機(jī)理研究

張開來1，潘維宗1，馮義武2

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南250061；2.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南250014）

【摘要】分析了楊集引黃閘閘室底板與上游鋪蓋連接處發(fā)生沉降和管涌的原因，對發(fā)生管涌后的涵閘進(jìn)行了防滲穩(wěn)定復(fù)合計(jì)算，并提出了解決方法。

【關(guān)鍵詞】楊集引黃閘；防滲體；破壞機(jī)理；灌漿

涵洞式水閘是一種常見的水閘型式，其特點(diǎn)是穿越大堤，具有較長的洞身。黃河上的涵閘一般長度在60~90 m之間，由于其洞身大，易發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致涵管斷裂，故常分為若干節(jié)，通常為10 m一節(jié)。節(jié)與節(jié)之間的分縫處是防滲的關(guān)鍵部位，也是容易發(fā)生涌水、管涌的部位。一旦發(fā)生涌水、管涌，會縮短滲徑，增大水力坡降。嚴(yán)重的會導(dǎo)致涵閘基礎(chǔ)掏空，使整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞，甚至危害大堤安全。這些位置通常設(shè)有止水，一般采用黏土防滲，輔以止水橡皮、銅片等，并設(shè)置墊梁。

1　工程概況

山東黃河楊集引黃閘建于1992年，為一聯(lián)三孔鋼筋混凝土涵洞式水閘，鋼筋混凝土平板閘門，每孔凈寬2.6 m，凈高2.8 m，涵洞全長80 m，分8節(jié)，閘首段長9.99 m，其余7節(jié)均長為9.98 m，設(shè)計(jì)流量30 m3/s，底板上設(shè)有邊墩、中墩，邊墩厚0.75 m，中墩厚1.05 m，洞身頂、底板厚均為0.7 m，邊墻厚0.67 m，中墻厚0.45 m，每節(jié)涵洞洞節(jié)之間設(shè)有鋼筋混凝土墊梁，墊梁高0.5 m，寬1 m。工作閘門機(jī)架橋?yàn)橐徽w式鋼筋混凝土肋形結(jié)構(gòu)，涵洞頂部有大堤回填土，閘上游設(shè)置3 m長的黏土鋪蓋。

2　存在的問題

2.1上游鋪蓋與閘室底板連接處產(chǎn)生錯(cuò)臺

通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，上游鋪蓋與閘室底板連接處有錯(cuò)臺，錯(cuò)臺高度32 mm，上游鋪蓋側(cè)高于閘室底板處。該引黃閘沉降觀測點(diǎn)32個(gè)，實(shí)測沉陷點(diǎn)25個(gè)。沉陷觀測點(diǎn)歷年沉降值位于16~177 mm之間，超過規(guī)范允許相鄰建筑物間的累計(jì)沉降量150 mm。該閘沉降點(diǎn)布置見圖1，累計(jì)沉降曲線見圖2、圖3。

圖1　沉降觀測點(diǎn)布置圖

圖2　測點(diǎn)編號左C1～左C16閘基累計(jì)沉陷值

圖3　測點(diǎn)編號右C1～右C16閘基累計(jì)沉陷值

由實(shí)測數(shù)據(jù)可見該閘沉降值變化均勻，閘體沉降基本穩(wěn)定。

2.2涵閘上游鋪蓋與閘室底板連接處發(fā)生管涌經(jīng)過現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)該涵閘在上游鋪蓋與閘室底板連接處出現(xiàn)管涌，涌水位置沿底板前緣呈一字型分布。管涌的形成，說明該閘地基內(nèi)已經(jīng)形成滲流通道。底部滲徑減短，滲透坡降增大，涵閘地基內(nèi)部土顆粒可在滲流作用下被帶出，經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展，可導(dǎo)致涵閘地基掏空，影響涵閘的穩(wěn)定甚至危害大堤的安全。

3　防滲體破壞原因與防滲復(fù)合計(jì)算

3.1黏土防滲體破壞原因

閘室底板與上游連接處發(fā)生管涌及涌水，其主要原因是此處的黏土防滲體發(fā)生破壞，其破壞的原因主要是由于閘室本身重量較大，且閘首段涵洞上部有大堤填土，由此閘室底部地基應(yīng)力過大，而上游連接段應(yīng)力則相對較小，較大的應(yīng)力產(chǎn)生較大的沉降，而上游連接段沉降相對較小，從而導(dǎo)致不均勻沉降。黏土防滲體承受較大的剪切力以及彎矩。閘前水頭的水平推力不會導(dǎo)致涵閘黏土體破壞，因?yàn)槎瓷硪约暗躺硭峁┑木C合頂推力隨上游水砂壓力變化而變化，作用點(diǎn)也可視為與水砂壓力合力點(diǎn)在同一水平線上。

3.2涵閘防滲穩(wěn)定復(fù)合計(jì)算

該閘設(shè)計(jì)不透水輪廓長度有閘前3 m黏土鋪蓋，閘后16.7 m黏土不透水層，涵洞本身及計(jì)入黏土環(huán)后的流線長為89.38 m，總滲徑長110.27 m，由于閘室前鋪蓋1 m處及下游消力池距涵洞末端2 m處有滲漏水，實(shí)際防滲長度為92.38 m。按滲徑系數(shù)法初估基礎(chǔ)防滲輪廓線長度，即：

L=CH

式中：L為基礎(chǔ)防滲輪廓線長度，m；H為上、下游水位差，m；C為允許滲徑系數(shù)。

該閘在設(shè)計(jì)防洪水位下，其上下游水位差H 為10.7 m，查《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001），其允許滲徑系數(shù)C=10，計(jì)算得所需防滲長度107 m。該閘實(shí)際防滲長度92.38 m，不滿足要求。閘基滲透壓力計(jì)算采用改進(jìn)阻力系數(shù)法，在設(shè)計(jì)工況，設(shè)計(jì)洪水位10.7m的條件下，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　水平段和出口段滲流坡降計(jì)算結(jié)果匯總表

由表1可以看出，產(chǎn)生管涌之后，該閘實(shí)際防滲長度已經(jīng)不滿足要求，滲透坡降大于規(guī)范允許值，由此可見，該閘防滲穩(wěn)定不滿足要求。

4　解決方法

4.1靜壓灌漿加固黏土防滲體

對于已經(jīng)沉降穩(wěn)定的涵閘，主要任務(wù)是糾正不均勻沉降，修復(fù)防滲體以及封閉滲流通道。可以分別采取壓密灌漿和靜壓灌漿的方式來處理。

靜壓灌漿是在灌漿壓力作用下，漿液克服阻力深入開裂的黏土防滲體，封閉滲流通道，使?jié){液在閘底板下部以及閘前鋪蓋處形成一個(gè)防滲體。由于閘室本身已經(jīng)沉降穩(wěn)定，不會再產(chǎn)生不均勻沉降使加固后的防滲體再次發(fā)生破壞。對于累計(jì)沉降量已經(jīng)超過規(guī)范允許值的涵閘，可以采用壓密灌漿糾正閘室段與上游鋪蓋間以及涵洞節(jié)與節(jié)之間的不均勻沉降。

在進(jìn)行加固處理時(shí)，要選擇合理的施工流程，首先糾正不均勻沉降，然后再加固黏土防滲體。如若先進(jìn)行靜壓灌漿加固黏土防滲體，則在進(jìn)行壓密灌漿時(shí)，閘室前、中以及后部可能不會同時(shí)上升，有可能對已經(jīng)修復(fù)的黏土防滲體造成二次損壞，并且，當(dāng)沉降恢復(fù)以后，黏土防滲體和閘室底板間由于閘室整體的上升可能留存有孔隙，此孔隙有可能會發(fā)展成為滲透通道，導(dǎo)致管涌的再次發(fā)生。在進(jìn)行壓密灌漿鉆孔時(shí)，要查閱設(shè)計(jì)圖紙以及采用鋼筋定位儀避開主受力鋼筋，以免施工困難且破壞閘室底板結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過靜壓灌漿和壓密灌漿處

理后的黏土防滲體應(yīng)保證滲透通道全部封死，不再產(chǎn)生管涌現(xiàn)象，且構(gòu)件間相對沉降量應(yīng)小于50 mm，累計(jì)沉降量小于150 mm。

4.2高噴灌漿加固黏土防滲體

對于沉降尚未穩(wěn)定的涵閘，加固任務(wù)主要有兩個(gè)，一是阻止閘室繼續(xù)沉降，防止相對沉降過大而破壞黏土防滲體，二是對于已經(jīng)形成的滲流通道進(jìn)行封堵，防止管涌擴(kuò)大，掏空基礎(chǔ)，并對黏土防滲體進(jìn)行加固。阻止閘室繼續(xù)沉降可采用高噴灌漿，封閉滲流通道和糾正閘室沉降可以采用同對處理已沉降穩(wěn)定的涵閘相同的方法，即靜壓灌漿和壓密灌漿。

高壓噴射灌漿是利用鉆機(jī)將帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液或水成為20 MPa左右的高壓流從噴嘴中噴射出來，沖擊破壞土體。在漿液噴射力、重力、離心力作用下漿液和剝落下來的土粒形成一固結(jié)體。

在進(jìn)行加固處理時(shí)，對于累計(jì)沉降值和不均勻沉降值尚未超過規(guī)范允許的涵閘，可不進(jìn)行壓密灌漿。對于累計(jì)沉降值和不均勻沉降值超過規(guī)范允許的涵閘，要先進(jìn)行壓密灌漿，使閘室沉降恢復(fù)至規(guī)范允許范圍后再進(jìn)行高壓噴射灌漿。實(shí)施時(shí)，采用旋噴方式，調(diào)整旋噴速度和提升速度、增減噴射壓力或改變流量，使之成為不同直徑的柱狀摩擦樁，在靠近閘室底板處，應(yīng)該提高噴射速度，擴(kuò)大噴射直徑，使之形成一個(gè)整體防滲體。高噴之后再采用靜壓灌漿的方式，來加固黏土防滲體，填充黏土防滲體內(nèi)部裂縫，封堵滲透通道。

5　結(jié)語

閘室自重以及大堤土壓力是導(dǎo)致閘室和上游鋪蓋不均勻沉降的主要原因。通過對楊集引黃閘進(jìn)行現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)閘室底板與上游鋪蓋連接處發(fā)生不均勻沉降和管涌現(xiàn)象。對于沉降穩(wěn)定的涵閘，先用壓密灌漿糾正不均勻沉降以及超過規(guī)范允許的累計(jì)沉降，然后用靜壓灌漿加固黏土防滲體。對于沉降尚未穩(wěn)定的涵閘，首先采用靜壓灌漿糾正沉降，然后采用高噴灌漿形成摩擦樁阻止閘室沉降，最后用靜壓灌漿修復(fù)黏土防滲體。

（責(zé)任編輯崔春梅）

作者簡介：張開來（1990—），男，研究生在讀

收稿日期：2015-08-04

【中圖分類號】TV66

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1009-6159（2016）-01-0034-02