復雜地基水閘滲流計算與防滲措施探討

魏文強，程 博，李炳華

(1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

中國有超過8萬座保水壩，其中95%以上是土石壩。土石壩是指通過傾倒和碾壓當地土壤、石塊或混合物而建造的擋土壩。閘門結構中使用的水閘和壩坡穩定性是影響大壩安全的關鍵因素。閘門是低水頭液壓結構。閘門打開時，可起到洗砂、排水、排洪、調節流量的作用；當閘門關閉時，它可以起到防潮、防洪和提高水位的作用。閘門基礎的土壤是可滲透的，水向下游流過土壤的孔隙，這種水在土壤中的流動稱為滲流。閘門底部的滲流具有一定的壓力能，稱為滲透壓。滲透壓為向上壓力，垂直于水閘底部結構。軟土地基上建立的閘門在滲透水流作用下容易發生滲透變形，特別是粉末和細砂基礎。在閘門之后，很容易看到沙子和水。因此，在設計中應做好防滲排水設計，并在閘門上游設置防滲鋪蓋、垂直防滲等防滲設施。特別是河流兩側的上游連接建筑物和與鋪蓋的連接部分，需要在該空間中整體形成防滲漏。

1 水閘滲流計算

目前國內不少學者對單一地基上水閘滲流進行了相關計算，且得出了較為豐富的研究成果。于長金和石平分析了水閘滲流的危害、水閘的防滲排水設計并提出了具體的施工方法[1]。馬麗以西海攔河閘除險加固中的沖砂閘為例，闡述了改進阻力系數法和直線比例法的原理。兩種方法用于計算單個基礎上的沙閘的滲流[2]。王麗麗分析了水閘的不同滲透類型以及不同的防滲排水措施[3]。安普太分析了土壤水閘滲流計算的各種方法，介紹了水閘滲透穩定性的計算和水閘繞滲的計算過程，提出了一種解決閘門基礎滲漏和水閘繞滲的防滲措施，以及相關的設計思路[4]。李飛用有限元軟件計算單個基礎閘門的滲流問題，并與《水閘設計規范》推薦的改進阻力系數法計算結果進行對比，表明有限元軟件可以方便地應用于水閘滲流問題[5]。

但是目前相對于多層復雜軟土地基上的多樁加固水閘滲流研究的問題相對少見，且惡劣地質條件上建立的水閘滲流問題尤其值得關注[6]。因此，本文以杭州某水庫為例，采用Geostudio有限元軟件對復雜地基上水閘的有限元滲流進行了分析，為類似復雜地基上水閘工程的滲流穩定性計算提供理論依據。

1.1 理論介紹

本文采用Geostudio有限元計算軟件對杭州某地區水閘進行穩定滲流分析，關于Geostudio滲流計算基本方法是達西定律，達西定律在非飽和帶和飽和帶中的應用是相同的。計算時，使用穩態分析平面二維滲流方程如下:

(1)

式中，h—總水頭函數；kx—x方向滲透系數；ky—y方向滲透系數；Q—邊界滲透流量函數。其中水頭邊界條件h=f1(x,y)；流量邊界條件Q=f2(x,y)。本文采用的有限元軟件中的SEEP/W模塊可以應用于求解該邊值問題。

1.2 工程實例分析

針對于杭州某水庫水閘滲流進行計算分析，水閘地下輪廓線如圖1所示。水閘地基采用鉆孔灌注樁進行加固，其分布為水平向沿x軸呈三排，本文取二維剖面進行計算，樁長7.7m，直徑0.5m，間距7m。關于水閘各高程如圖1所示。閘門位置的地質條件是第四紀全新世(Q4)。通過勘察資料，每層土壤的特征描述如下：第一層為粉土，埋深7m；第二層為粉砂，埋深5m。閘門上游水位為15m，下游水位默認為地面高程12m。

圖1 水閘地下輪廓線(單位：mm)

1.3 不同灌注樁分布形式下有限元實施

針對兩種不同工況，即水閘工程灌注樁采取沿x軸三排分布，水閘上游與鋪蓋連接處采取單樁分布[7]，模型如圖2所示。并且對兩種滲流進行了詳細的對比分析。在這里，GEOSTUDIO軟件用于分析閘門滲漏問題。該軟件自動執行網格劃分，總共9358個節點分為9042個單元。水閘及地基相關滲透參數見表1。

圖2 水閘滲流計算模型

計算結果如圖3—4所示，圖3(a)是三樁分布式閘門滲流矢量。研究結果表明，在壓力水頭下水流從水閘上游往下游通過樁繞滲。一開始在上游鋪蓋處，滲流矢量呈增大的趨勢，繼而到灌注樁位置逐漸往下減小，繞樁運動；在樁端位置，水流滲流矢量呈密集狀態，在樁間滲流呈環形分布，其中在水閘底部結構處，滲流矢量呈稀疏狀態。由此可見，灌注樁在這里不僅起加固閘基的作用，而且起了防水帷幕的作用；最后滲流在水閘下游處排出，此時滲流矢量呈均勻、分散運動狀態。

表1 滲透系數 單位：cm/s

圖4(a)為三樁分布水閘滲流總水頭等勢圖，結果表明，在軟弱復雜地基上，由于鉆孔灌注樁的存在，等勢線分布在第二層地基土粉砂土中，且在樁端呈散射分布；水頭大小分布隨著樁的分布有明顯規律。因此，在工程實際中，遇到復雜地基，可以通過控制灌注樁入土深度來消除總水頭對閘基的不利影響。

通過圖4(a)結果表明，隨著滲流從水閘上游往下游運動，總水頭逐漸減小。在上游鋪蓋處至第一根灌注樁位置，總水頭分布在14.2～14.8m，此時由于水頭總勢能最大，滲流矢量也相對較大；在第一、第二灌注樁之間，總分頭分布較為均勻，在14～14.4m之間，此時滲流矢量有減小的趨勢；第二、第三灌注樁之間總水頭呈12.6～13.2m均勻分布，此時滲流矢量相對較??；到水閘下游處，總水頭在12～12.4m之間均勻分布，滲流矢量最小，且較為分散。

圖4 水閘滲流總水頭等勢圖

通過對多樁分布下滲流計算分析，可以看出，灌注樁的存在對總水頭勢能、滲流矢量有很大的影響，因此本文很有必要對樁分布形式對滲流的影響進行對比分析。相較于三樁分布形勢下，單樁分布下滲流矢量整體呈對稱分布，總趨勢與三樁分布一致，都是沿著樁端呈繞滲。然后滲流從水閘下游表面土排出。然而單樁分布下，閘底水流滲流矢量更加密集，且滲流所引起的閘底揚壓力不可忽視[8]，不利于閘底的穩定，如圖3(b)所示。

圖4(b)為單樁分布下水閘滲流總水頭等勢圖，可以看出單樁兩側呈明顯區別。上游出口頭明顯大于下游頭部。相較于多樁分布，單樁分布樁端水頭勢能更成多層次傘狀分布；且水閘內部結構水頭勢能更加密集。相較于多樁分布，單樁分布水閘內部盡管勢能變化十分明顯，呈不利狀態，但是水閘地基總水頭勢能要明顯小于多樁分布狀態，該現象可能是由多樁分布水閘復合地基更加穩定，水流滲流矢量受禁錮于樁間，導致閘底總水頭勢能增大所造成的。

2 水閘防滲措施探討

上文對不同灌注樁分布形式下水閘滲流進行了分析，除了灌注樁，還有不少措施能對水閘防滲發揮作用，下面對此進行探討。

2.1 鋪蓋防滲

鋪蓋位于閘室底板和上游翼墻之間，其長度等同于上游翼墻。它的作用是增加防水部分的長度，延長滲透性，改變滲透性分布，降低滲透率和流速[9]。鋪蓋通常采用混凝土或黏土，且應在鋪蓋、閘底之間安裝止水裝置以有效防止滲水。為了防止鋪蓋在施工期間受到損壞及被水沖洗，可以在頂部設置約0.4m的塊狀保護層；同樣為防止凍害，鋪蓋需放在防凍層下面。

2.2 反濾層防滲

在滲流出口處，滲流的坡度通常很大，并且容易發生滲透變形。過濾層通常由3層不同直徑的礫石和粗砂組成。黏性土地基，一般只設2層。除了上述常用的砂礫材料之外，還可以使用土工織物。土工織物是由合成纖維或氈穿孔氈(即，非織造土工織物)編織的網。土工布具有重量輕、強度高、耐腐蝕、施工簡單、施工速度快、投資少、透水性好等優點。因此，在過去的10年中，土工織物已迅速應用于交通、水利、建筑和其他工程領域。由于土工織物非常薄(通常為3mm)，因此在施工期間應特別小心。另外，土工布由化學纖維原料制成，在陽光照射下容易老化。

2.3 灌注樁

水閘基底灌注樁不僅能加固地基，抑制滲流揚壓力，而且起帷幕防滲作用。在復雜地基水閘建設中，要尤其靈活運用灌注樁的入土深度[10]。應根據滲透層的實際埋藏深度進行有針對性的判斷。通常灌注樁應盡量靠近不透水層，此時滲流矢量對水閘基底的影響最小。

3 結語

在水閘的防滲排水設計中，計算滲流的原因是為了獲得滲流區滲透流量，滲透梯度和滲透壓的具體數值，為水閘壽命的延長提供技術保障[11]。本文針對杭州某水閘進行了復雜地基軟土滲流計算，得出了一系列相關規律，并且對不同灌注樁分布形勢下滲流的影響進行了對比分析。結果表明，灌注樁不僅起加固閘基的作用，而且起了防水帷幕的作用，灌注樁能有效減小水閘底部滲流壓力。在軟弱復雜地基上，由于鉆孔灌注樁的存在，總水頭等勢線在樁端呈散射分布，水頭大小分布隨著樁的分布有明顯規律。相對于多樁分布，單樁閘底水流滲流矢量更加密集，所引起的閘底揚壓力不利于閘底的穩定；單樁分布水閘地基總水頭勢能要明顯小于多樁分布狀態。在對水閘滲流分析計算的基礎上，本文還討論了防滲措施，如鋪蓋防滲、反濾層防滲，為相關工程提供理論依據。