黑崗口引黃閘滲透監(jiān)測(cè)分析研究

楊玉慶 王緒 趙啟旸

摘 要：引黃涵閘在施工和運(yùn)行過程中，滲透破壞是涵閘出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題的主要原因。通過對(duì)黑崗口引黃閘布設(shè)滲透監(jiān)測(cè)設(shè)施，并對(duì)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、研究，以此檢驗(yàn)、判定涵閘除險(xiǎn)加固的效果和涵閘正常運(yùn)行的安全狀況，進(jìn)一步用于涵閘的管理決策和科學(xué)預(yù)報(bào)，并引申歸納出涵閘滲透破壞的影響因素，以及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取的相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞：引黃涵閘;滲透監(jiān)測(cè);滲透分析;防滲措施;黑崗口

中圖分類號(hào)：TV547.5;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.026

Abstract：During the construction and operation of the Yellow River diversion culvert gates， seepage failure is the main cause of structural problems. In this paper， through the installation of seepage monitoring facilities in Heigangkou Yellow River diversion sluice， and the statistics， analysis and research of the monitoring situation， the working effect of danger elimination and reinforcement of the culvert and sluice and the safety condition of the normal operation of the culvert and sluice were checked and determined. It was further used for the management decision-making and scientific prediction of culvert gates and the influencing factors of the seepage failure of culvert gates were induced and corresponding measures that should be taken in the design.

Key words： Yellow River diversion sluice; seepage monitoring; seepage analysis; seepage control measures; Heigangkou

引黃涵閘在施工和運(yùn)行過程中，滲透破壞是涵閘出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題的主要原因[1]。有關(guān)資料顯示，穿堤涵閘滲透破壞產(chǎn)生的原因主要有：①施工時(shí)土石結(jié)合部土方壓實(shí)度不合格，滲透壓力較大，在土石結(jié)合部形成滲流通道;②防滲、止水部位施工質(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)要求，在滲透壓力作用下產(chǎn)生破壞，形成滲流通道;③地基承載力不足，閘體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降，形成裂縫，長期帶病運(yùn)行，混凝土鋼筋銹蝕，裂縫增大，形成從閘洞內(nèi)到堤身的滲漏，最終在涵閘、堤身間形成破壞;④閘體、涵洞混凝土因凍融、水力侵蝕、自身裂縫而加速結(jié)構(gòu)破壞，最終仍會(huì)在河水滲透作用下，誘發(fā)堤身、涵閘的嚴(yán)重破壞。

引黃涵閘的滲透破壞影響著黃河下游堤防、涵閘正常功能的發(fā)揮，甚至造成大的險(xiǎn)情，嚴(yán)重威脅兩岸群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，在堤身、涵閘上布置滲流監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)滲流監(jiān)測(cè)資料的分析以及與理論計(jì)算值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)工程內(nèi)部的異常現(xiàn)象，為正確評(píng)價(jià)滲流異常影響提供技術(shù)依據(jù)和險(xiǎn)情預(yù)警預(yù)報(bào)，是確保堤身、涵閘安全工作狀態(tài)的重要方法。

1 黑崗口引黃閘監(jiān)測(cè)設(shè)置

1.1 工程概況

黑崗口引黃閘位于開封市北郊，黃河南岸黑崗口險(xiǎn)工段大堤樁號(hào)77+170處，始建于1957年，為Ⅰ級(jí)水工建筑物。該閘為5孔涵洞式水閘，孔口寬1.8 m，高2.0 m;涵洞寬2.5 m，高2.0 m;設(shè)鋼木平板鋼門，手搖式15 t螺桿啟閉機(jī)。設(shè)計(jì)流量50 m3/s，加大流量64 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積4.4萬hm2，兼顧開封城市生活、工業(yè)用水。

2009年黑崗口閘安全鑒定結(jié)果為三類閘。為保障水閘安全運(yùn)行和閘址處堤防防洪安全，于2014年對(duì)該閘進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。為監(jiān)測(cè)黑崗口閘與大堤結(jié)合部的滲透壓力分布情況，檢驗(yàn)、判斷除險(xiǎn)加固效果，在除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)、施工時(shí)，結(jié)合水閘實(shí)際情況，重新布設(shè)安裝了滲流監(jiān)測(cè)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)對(duì)閘體以及周圍滲流場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)。

1.2 黑崗口水閘滲流安全監(jiān)測(cè)設(shè)備安設(shè)

1.2.1 黑崗口水閘滲流安全監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

黑崗口閘采用測(cè)壓管、測(cè)壓管滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)滲透壓力。沿水流方向共布設(shè)6組12個(gè)滲流安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成東、西兩個(gè)剖面，分別位于閘輪廓線兩側(cè)以外堤防上，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)一個(gè)測(cè)壓管，每個(gè)測(cè)壓管內(nèi)安置一支滲壓計(jì)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。滲流安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

1.2.2 滲流安全監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

（1）測(cè)壓管安裝。第一步是制作、埋設(shè)測(cè)壓管并測(cè)量初始穩(wěn)定水位。黑崗口閘采用的測(cè)壓管由透水段、導(dǎo)管段兩部分組成，采用Φ50 mm鍍鋅鋼管制作。透水段（又稱花管段）長1.0 m，透水段面積開孔率為30%，孔眼呈“梅花狀”均勻排列，孔壁光滑無毛刺;透水段管外包裹銅絲網(wǎng)、土工布（規(guī)格：250 g/m2），防止土體細(xì)顆粒進(jìn)入測(cè)壓管而造成淤堵，管底封閉，不留沉淀管段。導(dǎo)管應(yīng)順直，內(nèi)壁光滑無阻，如要接管，則通過管箍連接。測(cè)壓管管口設(shè)管帽，管帽頂預(yù)留通氣孔，測(cè)壓管出口處設(shè)保護(hù)裝置。

測(cè)壓管采用鉆孔埋設(shè)，在設(shè)計(jì)孔位用鉆機(jī)開孔，孔徑為100 mm，孔斜度小于1°，孔深以測(cè)壓管透水段處于砂層（相對(duì)透水層）或要求的觀測(cè)目標(biāo)層為準(zhǔn)。鉆孔過程中嚴(yán)禁采用泥漿固壁，必要時(shí)可采取套管護(hù)壁。

測(cè)壓管埋設(shè)前，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量鉆孔深度、孔內(nèi)穩(wěn)定水位、孔斜度、管長、孔口高程。埋設(shè)步驟：向鉆孔內(nèi)填50 cm厚的中粗砂，安放測(cè)壓管，在花管段與鉆孔壁間回填粒徑為0.5～2.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)砂（標(biāo)準(zhǔn)砂頂面高出花管開孔范圍10 cm），投放膨潤土球進(jìn)行封堵，距孔口2～3 m時(shí)采用黏土回填，人工夯實(shí)。

測(cè)壓管安裝、封孔回填完成，并在地下水位穩(wěn)定后，測(cè)量測(cè)壓管內(nèi)初始穩(wěn)定水位，作為后期觀測(cè)依據(jù)。黑崗口閘測(cè)壓管內(nèi)測(cè)定的初始穩(wěn)定水位見表1、圖2。

第二步是測(cè)壓管靈敏性試驗(yàn)。測(cè)壓管安裝完成、投入使用前必須進(jìn)行靈敏性試驗(yàn)，即對(duì)測(cè)壓管制作、安裝質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

靈敏性試驗(yàn)中，注水后水位應(yīng)在測(cè)壓管透水段（以濾料頂面為準(zhǔn)）以上5～10 m。進(jìn)水段周圍若為壤土則注水量相當(dāng)于1 m測(cè)壓管容積的3～5倍，若為砂粒料則為5～10倍。水位觀測(cè)開始時(shí)每間隔5 min觀測(cè)1次、共觀測(cè)5次，然后每間隔10 min觀測(cè)1次、共觀測(cè)3次，再每間隔30 min觀測(cè)1次、共觀測(cè)2次，最后根據(jù)水頭的下降速度逐漸延長時(shí)間間隔，直到水頭恢復(fù)或接近初始水頭時(shí)結(jié)束。一般來說，對(duì)于黏壤土，注入水位在120 h內(nèi)降至原水位為靈敏度合格;對(duì)于砂壤土，24 h降至原水位為靈敏度合格;對(duì)于砂礫土，1～2 h降至原水位或注水后水位升高不到3 m為合格。對(duì)于靈敏度檢驗(yàn)不合格的測(cè)壓管，采取反復(fù)往孔內(nèi)注水或抽水的方式進(jìn)行洗孔，或重新鉆孔埋設(shè)測(cè)壓管，直至測(cè)壓管靈敏度測(cè)試合格為止。

以西1（C01）測(cè)壓管的注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例（見表2），在注水后5 h，管內(nèi)水位與測(cè)前水位基本一致，說明測(cè)壓管靈敏度高，測(cè)壓管埋設(shè)合格。

（2） 滲壓計(jì)安裝。滲壓計(jì)精度高、滯后時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和自動(dòng)化觀測(cè);可與測(cè)壓管結(jié)合使用，也可直接埋入測(cè)點(diǎn)部位單獨(dú)使用。黑崗口閘采用基康BGK4500S-700 kPa滲壓計(jì)。該滲壓計(jì)外徑為19.05 mm，長度為133 mm，能夠長期測(cè)量測(cè)壓管、鉆孔、堤壩中的孔隙水壓力，靈敏度可達(dá)到0.025%F.S.。

為減少鉆孔，降低對(duì)施工過程的干擾，保護(hù)滲壓計(jì)線纜不被施工機(jī)械破壞，采用將滲壓計(jì)放入測(cè)壓管內(nèi)的埋設(shè)方式。

滲壓計(jì)安設(shè)在測(cè)壓管內(nèi)之后，先要得到零讀數(shù)。為了使讀數(shù)用于隨后的數(shù)據(jù)處理，得到準(zhǔn)確的零讀數(shù)，應(yīng)以確保其在測(cè)壓管中穩(wěn)定20～30 min，以確保其在孔內(nèi)達(dá)到溫度平衡。用讀數(shù)儀測(cè)讀零壓力時(shí)的信號(hào)值，測(cè)讀3次，取平均值作為零讀數(shù)。

2 黑崗口閘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 滲透變形破壞分析

2.1.1 滲透破壞的形式

黃河大堤堤身填筑土料均采用黏粒含量為5%～10%、塑性指數(shù)為7～20的黏性土，黏性土滲透破壞的形式主要有流土、接觸流土、剝落、接觸沖刷4種。

（1）流土：表層為黏土與其他細(xì)粒土組成的土體產(chǎn)生流土破壞的現(xiàn)象，表現(xiàn)為土體表面隆起、頂穿、斷裂、剝落，主要發(fā)生在出逸面無蓋重的情況下。

（2）接觸流土：在黏性土與粗粒材料接觸處，發(fā)生土體向粗粒空隙中移動(dòng)的流土破壞現(xiàn)象。土體破壞前，滲流出逸體積略有增大，在土的表面產(chǎn)生裂縫，然后產(chǎn)生流土，呈圓錐狀脫落。

（3）剝落：當(dāng)滲透水流經(jīng)黏性土向設(shè)有粗顆粒材料蓋重一側(cè)滲透時(shí)，未被粗顆粒材料遮蓋的部位產(chǎn)生逐漸剝落，形成深洼。剝落深度約為粗粒土孔隙直徑的一半。

（4）接觸沖刷：沿相鄰不同土層的層間流動(dòng)產(chǎn)生的沖刷。

2.1.2 允許水力坡降的確定

2.2 滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水位及特征分析

2.2.1 滲壓計(jì)水位觀測(cè)結(jié)果

滲壓計(jì)調(diào)試好后，實(shí)現(xiàn)了黑崗口水閘水位的監(jiān)測(cè)（滲壓計(jì)C01、C07靠近上游主河道，實(shí)測(cè)水位與黃河河道內(nèi)水位非常接近，為方便觀測(cè)，以此作為黃河河道水位）。根據(jù)2015年5月27日—9月16日滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水位繪制水位過程線（見圖3

），可以看出，各測(cè)點(diǎn)滲壓計(jì)所測(cè)水位的變化規(guī)律相似，水位變幅較小。8月5—10日、8月20—25日、9月1—6日各有一次小幅的水位升高，這可以從靠近河道的滲壓計(jì)C01、C02、C07、C08數(shù)據(jù)看出此規(guī)律;其他滲壓計(jì)分布在涵閘或堤身中部，滲流變化過程線較為平緩。

2.2.2 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)水位過程分析

（1）水位特征值分析。根據(jù)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)水位得到的各測(cè)點(diǎn)水位特征值見表5。

表5是由實(shí)測(cè)水位直接求出的特征水位，可看出，除了C03點(diǎn)外，其他測(cè)點(diǎn)的特征水位變幅都在1.1～1.7 m之間，變化幅度較小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，這也與各測(cè)點(diǎn)水位過程線的變化規(guī)律相似。

（2）根據(jù)各實(shí)測(cè)水位計(jì)算滲流坡降。由各實(shí)測(cè)水位按照公式J=Δhl計(jì)算的滲流坡降見表6。

由上述計(jì)算結(jié)果分析可知，相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)無論是平均水位差，還是考慮最不利組合的最大水位差，計(jì)算滲流坡降均小于計(jì)算得出的允許水力坡降，因此可以判定該閘不會(huì)發(fā)生滲透變形破壞。

3 結(jié) 語

通過本次監(jiān)測(cè)分析可以判定，目前工況下的涵閘滲透坡降是正常的，表明黑崗口引黃閘除險(xiǎn)加固是成功的。當(dāng)然，目前滲透監(jiān)測(cè)期比較短，還需要長時(shí)間的監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷涵閘滲透情況是否存在異常，以便及時(shí)發(fā)出預(yù)警，采取必要措施，防止災(zāi)害發(fā)生。

從本文分析過程可以看出，涵閘滲透變形破壞與閘基底板下影響范圍內(nèi)的土層性質(zhì)、土體的填筑碾壓質(zhì)量、滲透路徑的長短等因素有關(guān)，在其他引黃閘設(shè)計(jì)時(shí)可據(jù)此采取如下防滲措施[3]。

（1）閘前河床采用水平黏土鋪蓋，增大河水向下游滲流的滲透阻力。

（2）閘室、涵閘底板基礎(chǔ)采用粉噴樁等方式進(jìn)行地基加固，提高閘基整體的抗變形能力，減少閘室、涵洞段不均勻變形引起的結(jié)構(gòu)破壞，縮短滲流路徑。

（3）閘室上游進(jìn)水段的兩側(cè)邊坡及上部平臺(tái)，采用復(fù)合土工膜進(jìn)行有效防護(hù)，增大水流直接發(fā)生水平滲流的滲徑和阻力，迫使河水經(jīng)下部土層往下游產(chǎn)生滲流，降低水力坡降。

（4）嚴(yán)格控制閘室段、涵洞段外側(cè)土體的碾壓質(zhì)量，確保在混凝土和土體間不形成接觸沖刷。

（5）下游出口要做好防滲反濾處理。

參考文獻(xiàn)：

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【責(zé)任編輯 許立新】