基于缺陷的水閘防滲墻滲流穩定性研究

張云峰，張 燕，張志闖

（1.淮安市淮陰區水利局，江蘇 淮安223300；2.淮安市淮陰區竹絡壩灌區水利管理所，江蘇 淮安223300；3.江蘇信通工程項目管理有限公司，江蘇 淮安223300）

1 引言

水閘是修建在河道、水庫、湖泊、渠道上十分常見的低水頭水工建筑物， 能通過閘門的升降來調節水位和流量，常用于灌溉和防洪排澇等方面［1-2］。 建立在土基上的水閘，由于其物理性質與土體不同，常常存在滲漏隱患。對于滲透性較好的地基土來說，如果不對其進行適當的工程處理，一旦發生滲漏，往往可能會發生流土或管涌等不良地質現象。 對于水閘地基的防滲處理，通常采用垂直防滲板樁、高壓旋噴樁、水泥攪拌樁、懸掛式防滲墻等方案［3-5］。 對于懸掛式防滲墻來說，因為工藝水平有限或施工質量不佳，往往會出現防滲墻鋪設深度不足、 出現破損等潛在病害。 經過一段時間的使用，在水流的作用下，往往會發生防滲墻滲漏現象。這不僅引起水量損失，還會造成滲透破壞，引起建筑物地基沉陷，影響建筑物安全。 廣東某水利樞紐工程就發生一起防滲墻滲漏引起下游消力池地板隆起及斷裂， 大大影響水閘的安全使用［6］。

本文依托江蘇省某水閘工程， 通過數值模擬方法模擬水閘正常水位下閘基滲流場， 分析防滲墻鋪設深度、 防滲墻是否出現缺陷及缺陷位置等對閘基滲流場的影響。

2 基本理論

在水閘處于正常蓄水位工況下， 在水頭差的作用下，水在土體中的移動滿足達西定律，非飽和土滲流控制方程［7］如下：

式中 xi，xj為i，j方向的位置坐標；ksij為飽和滲透張量；kr為相對透水率；hc為壓力水頭；β為非飽和常數；Ss為貯水量；Q為源匯項；C為比水容度；θ為與壓力水頭相關的函數；n為孔隙率；t為時間。

3 數值模擬

3.1 工程概況

某改造水閘是一座以引水為主、 排水為輔為目的的水閘。 該改建工程場地地基土均屬第四紀沉積物。 地基土的主要成分是含礫粗砂、 含卵石礫質粗砂、全風化泥質粉砂巖層和強風化粉砂巖層。本次模擬根據實際土層分布，將水閘地基分為三種土層，分別為含卵石礫質粗砂層、 全風化泥質粉砂巖層及強風化粉細砂巖層。 含卵石礫質粗砂層呈很濕～飽和，稍密，中等壓縮性狀，滲透性較好，具中等透水性，在水動力等外力作用下有產生流土或管涌等不良地質現象的可能性。

3.2 計算模型

根據以上工程勘測資料，本次計算模型如圖1，其中上游水位為17.96m，下游水位為15.46m，上下游水頭差為2.5m。 地基上部建筑物主要包括上游護坦、閘門、閘室地板和消力池等。 在水閘上游處設置高壓旋噴防滲墻，防滲墻深入全風化泥質粉砂巖層2m。

圖1 計算模型圖

3.3 模型參數和計算工況

將工程勘測得到的土層物理力學參數和實驗室內測得的土層滲透系數相結合， 確定模型中各個地層的物理力學參數。 將地基土上部結構材料設為不透水材料。 各土層滲透系數值如表1。

表1 地基各土層滲透系數

針對防滲墻出現缺陷及其未能伸到全風化泥質粉砂巖等情況， 主要計算5個工況： ①防滲墻完整；②防滲墻底部距離全風化泥質粉砂巖0.5m；③防滲墻底部距離全風化泥質粉砂巖2m；④防滲墻缺陷尺寸0.2m，距離頂部5m；⑤防滲墻缺陷尺寸0.2m，距離頂部10m。

4 計算結果分析

圖2和圖3為防滲墻完整時， 水閘基礎土體的滲流場和水力梯度變化等值線圖。

圖2 防滲墻完整時水頭等值線分布

圖3 防滲墻完整時水力梯度等值線分布

由圖2可知，當防滲墻沒有出現缺陷時，防滲墻底部水頭等值線比其他部位密集， 此處的水頭損失較大，水頭變化值較大，防滲效果良好。 由圖3可知，防滲墻底部的水力梯度明顯變大， 距離防滲墻底部越近，水力梯度越大。這是因為防滲墻的存在改變了水流的方向，水流從防滲墻底部繞過，迅速降低了水頭。

4.1 防滲墻鋪設深度對滲流場的影響

圖4 防滲墻底部距離全風化泥質粉砂巖0.5m水頭等值線分布

圖5 防滲墻底部距離全風化泥質粉砂巖2m水頭等值線分布

圖4和圖5為水閘防滲墻是否伸入全風化層內的水頭等值線分布圖。對比圖4和圖2可知，當防滲墻僅在含卵石礫質粗砂層時， 在防滲墻下游的水頭值較大， 這是因為在含卵石礫質粗砂層和全風化層頂部之間的滲透系數差別大，防滲墻又是不透水結構，使得防滲墻底部與全風化層頂部存在一個滲流通道，水流流經這個部位時，水頭損失較小，因此水流越過防滲墻后水頭損失小。 可以看出防滲墻未鋪至全風化層時，在防滲墻下游的水頭明顯提高。

圖6和圖7為防滲墻距離全風化層不同距離的水力梯度等值線分布圖。對比圖6和圖7可以看出，防滲墻底部與全風化層頂部之間土體的水力梯度分布整體上相似，防滲墻底部距離全風化層頂部越遠，防滲墻底部與全風化層頂部之間土體的水力梯度越小。這是因為防滲墻底部與全風化層頂部之間形成的透水薄層厚度不同。這是因為透水薄層越厚，即防滲墻底部離全風化層頂部越遠， 水流越容易從該區域流過，分流的水流量越多，相對而言分流到全風化層的水流越少，因此水力梯度也就越小。

圖6 防滲墻底部距離全風化泥質粉砂巖0.5m水力梯度等值線分布

圖7 防滲墻底部距離全風化泥質粉砂巖2m水力梯度等值線分布

4.2 防滲體缺陷對滲流場的影響

圖8 防滲墻缺陷距離頂部5m水頭等值線分布

圖9 防滲墻缺陷距離頂部10m水頭等值線分布

圖8和圖9為防滲墻在不同高程出現缺陷時的水頭等值線分布比較圖。對比圖8和圖2可知，當防滲墻存在缺陷時，滲流場發生了明顯變化，防滲墻后的區域內水頭抬升，尤以缺陷處的水頭抬升最為明顯。另外，由于缺陷的位置不同，缺陷處的水壓力不同，因此防滲墻后的滲流場變化也不同，總的來說，防滲墻缺陷位置越低，影響范圍越大。

圖10和圖11為水閘防滲墻不同高程出現缺陷時的水力梯度變化云圖。 與圖3對比可知，防滲墻出現缺陷后水力梯度與未出現缺陷前都出現驟增現象。這是因為在缺陷位置處土體的滲透系數較大， 水流經過此處時會導致該區域水力梯度上升。 而且對比圖10和圖11可知，當防滲墻出現缺陷時，防滲墻底部的水力梯度有所減小， 這是因為缺陷處的水力梯度較大，分散了一部分水流。對比防滲墻不同位置的水力梯度可知，防滲墻缺陷影響范圍有限，主要會引起其周邊水力梯度的變化， 對于遠離缺陷位置的水力梯度影響大致相同。

圖10 防滲墻缺陷距離頂部5m水力梯度等值線分布

圖11 防滲墻缺陷距離頂部10m水力梯度等值線分布

5 結語

（1）鋪設防滲墻且防滲墻完整時，防滲墻下游（水閘內側）的水頭等值線分布密集，水頭損失值變化大，說明防滲墻阻礙水流的流動，從而大大提高水閘的防滲能力。

（2）防滲墻未伸入全風化泥質粉砂巖時會對水閘防滲產生一定的影響， 防滲墻底部距離全風化泥質粉砂巖越遠，防滲效果越差，同時全風化泥質粉砂巖與防滲墻底部間的透水薄層越厚。

（3）防滲墻缺陷引起水閘地基滲流場的重分布，主要影響區域為防滲墻附近區域。 防滲墻缺陷位置越低，滲流場的重分布范圍越大。