砂礫石地基水閘防滲設(shè)計方案

戴 雪 鄧 剛 王李平

（1黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司；2河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心）

0 引言

砂礫石地基由于自身較大孔隙率和很強的透水性，在水頭差存在的情況下，孔隙中會產(chǎn)生不平衡水壓差，隨著水壓差的增加，當(dāng)達到一定值時，會破壞顆粒間粘聚力，部分細小的顆粒會被水流帶出，隨著細顆粒不斷被帶走，孔隙越來越大，導(dǎo)致地基滲透變形，地基承載能力會驟降，直接威脅水閘的抗滑穩(wěn)定，因此水閘建在砂礫石地基時應(yīng)重視防滲措施的設(shè)計。

1 工程概況

大利河引水閘位于濟源市五龍口鎮(zhèn)五龍頭村，建成于1985 年，2016 年對老閘進行拆除重建。重建水閘設(shè)計流量4.60 m3/s，順水流方向縱向總長88 m，主要由10m 鋪蓋段、9 m 閘室段、44 m 涵洞段、10 m 消力池段、10 m 海漫及5 m防沖槽段組成。水閘為單孔引水閘，設(shè)計防洪水位144.50 m，校核防洪水位145.50 m，鋪蓋及閘底板高程均為139.98 m，閘頂高程為145.90 m，閘底板厚為1 m，齒墻厚為0.50 m；閘室后布置4 節(jié)單孔箱涵，穿越堤防，每節(jié)長均為11 m，縱向坡度i=1/200。鋪蓋、閘底板、涵洞及消力池均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，海漫段采用漿砌石結(jié)構(gòu)。（結(jié)構(gòu)布置見圖1）

圖1 大利河引水閘縱斷面圖

根據(jù)勘探資料，工程區(qū)內(nèi)的地層除堤身為第四系全新統(tǒng)人工填土外，以第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）形成的砂礫石層為主。閘基坐落于第③層砂礫石層（Q4al），該層礫石磨圓度較好，含量約為60%～80%，多呈中密～很密狀態(tài)，淺部為松散～稍密狀態(tài)；該層連續(xù)分布，未揭穿，最大揭露厚度17.50 m。砂礫石層地基承載力特征值為300 kPa。

2 滲流穩(wěn)定計算方法

滲流的理論計算一般基于邊界條件比較簡單的情況，但實際的防滲布置比較復(fù)雜，理論計算方法很難獲得精準的解答，因此常采用近似計算方法。近似計算的方法有很多，直線比例法、直線展開法、加權(quán)直線法、柯斯拉獨立變數(shù)法、巴甫洛夫斯基分段法、丘加也夫阻力系數(shù)法、改進阻力系數(shù)法以及流網(wǎng)法等等。SL 265-2016《水閘設(shè)計規(guī)范》在條文說明中對各種方法進行了介紹，最終推薦采用改進阻力系數(shù)法和流網(wǎng)法作為求解土基上閘基滲透壓力的基本方法。文章選用改進阻力系數(shù)法進行滲流計算。

改進阻力系數(shù)法的基本段分為進出口、內(nèi)部垂直段和水平段三段，計算公式如下：

式中：h＇0—進出口段修正后水頭損失值（m）；h0—進出口段水頭損失值（m）；β＇—阻力修正系數(shù)，當(dāng)計算的β＇≥1時，采用β＇ ＝1 ；S＇—底板埋深與板樁入土深度之和（m）；T'—板樁另一側(cè)地基透水層深度（m）。

式中：J—為出口段的滲流坡降值。

為防止?jié)B流變形保證閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性，要求出口段的逸出坡降必須小于規(guī)定的允許值。

3 防滲方法的研究

砂礫石地基防滲方法通過許多工程實踐和科學(xué)研究，在不斷地積累經(jīng)驗，防滲技術(shù)也在不斷地提升，但仍存在一些問題需要進一步研究。施燦海在研究砂礫石地基上尾礦壩滲流控制措施時，總結(jié)了砂礫石地基滲流控制研究的進展；徐家海提出砂礫石壩基的滲流控制措施可歸納為上鋪、中截和下排三個方面；劉杰提出反濾層可以作為滲流控制的一項重要措施；張文倬認為砂礫石地基顆粒組成的不均勻性和結(jié)構(gòu)的多層性，以及各部位滲透系數(shù)差異的懸殊性，使水平鋪蓋防滲不如垂直防滲適應(yīng)砂礫石地基；劉杰再次與張文倬就砂礫石地基閘壩滲流控制原理進行討論，并用工程實例說明鋪蓋防滲最適合深厚的砂礫石地基；徐靜結(jié)合王甫洲水利樞紐工程，對高壓噴射灌漿技術(shù)、防滲墻技術(shù)及土工膜防滲技術(shù)進行對比研究；楊海英研究了在排水孔失效的情況下，對鋪蓋和防滲墻的最佳組合問題；馬少華提出對于深覆蓋層砂礫石地基，采用水平防滲在工程投資中優(yōu)于垂直防滲，但需進行嚴格計算，確定合理的鋪蓋長度。

綜上所述，砂礫石地基防滲方法可分為水平防滲、垂直防滲及排水系統(tǒng)三個方面，具體工程的防滲方案無外乎是一種或是幾種防滲方法的組合，目的在于控制滲流、減少滲流比降、避免發(fā)生流土及管涌等滲流變形破壞，保證閘基穩(wěn)定。

4 不同防滲方案的滲流計算

結(jié)合以上防滲方法的研究，該工程考慮以下幾個防滲方案：初始計算方案：利用鋪蓋、閘室、涵洞各段底板輪廓構(gòu)建地下輪廓線，地下輪廓線排水孔布置在消力池底板；方案1：在初始計算方案下，延長不透水層長度，將消力池底板歸為地下輪廓線范圍，排水孔布置在海漫底板；方案2：在初始計算方案下，增加垂直防滲措施，閘底板范圍內(nèi)布設(shè)10 m 長高壓旋噴樁連續(xù)墻，排水孔布置在消力池底板；方案3：在初始計算方案下，增加垂直防滲措施，閘底板范圍內(nèi)布設(shè)15 m 長高壓旋噴樁連續(xù)墻，排水孔布置在消力池底板；方案4：在初始計算方案下，加深消力池齒墻深度，排水孔布置在海漫底板。

滲流計算時，上游水位按沁河校核洪水位控制，閘下無水，計算結(jié)果見表1。

表1 滲流計算結(jié)果對比表

通過表1 計算結(jié)果的對比，比較不同方案的防滲效果，分析如下：①從各個方案可以看出，無論是水平向延長滲徑還是垂直向加深滲徑，對于降低滲流比降都是有效的；②方案1 與方案2 計算結(jié)果對比可以看出，垂直向加深滲徑比水平向延長滲徑效果更明顯；③方案2 與方案3 計算結(jié)果對比可以看出，防滲墻的深度對防滲效果是有影響的，防滲墻越深，效果越好，但是實際工程中防滲墻不能無限制加深，還應(yīng)該結(jié)合施工條件和經(jīng)濟性確定防滲墻的深度；④方案3 與方案4 計算結(jié)果對比可以看出，垂直防滲措施布設(shè)在不同位置防滲效果有所不同，越靠近出口段逸出處，出口段逸出坡降越小，減少滲流比降效果越明顯。

根據(jù)計算結(jié)果，方案4 計算結(jié)果滿足出口段允許坡降值的要求，因此最終采用鋪蓋、閘室、涵洞、消力池底板作為水平防滲，垂直防滲采用加深消力池齒墻，排水孔布設(shè)在海漫底板上。

5 結(jié)語

砂礫石能夠提供較高的地基承載力，同時適應(yīng)基礎(chǔ)變形，作為建筑地基是個不錯的選擇，但對于滲流有要求的結(jié)構(gòu)來說，防滲措施的研究還是有十分重要的意義。經(jīng)以上幾種防滲方案的對比，在同種地質(zhì)條件下，采用不同的布置方案對防滲效果影響很大，因此實際工程應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合工程特點，綜合考慮施工條件、經(jīng)濟性等因素，比選后再確定最為適宜的處理方法。