砂礫石地基水閘防滲設(shè)計探討

扈兆斌

(中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120)

0 前 言

砂礫石地基不僅有較大的孔隙率，還有較其他地基更強的透水性，如果上下游存在水頭差，受水壓差影響，空隙顆粒的黏聚力將被破壞。長此以往，流水將部分顆粒帶走，空隙直徑不斷加大，由此而引發(fā)的問題，便是地基變形，一旦出現(xiàn)承載能力驟降的情況，水閘穩(wěn)定性必然會受到極大影響。要想避免上述情況出現(xiàn)，在建設(shè)砂礫石地基上的水閘時，工作人員就應(yīng)將防滲作為重點。

1 項目介紹

文章所研究項目為漢壽縣東岳廟高巖村黃河壩水閘，由灌溉閘、主閘等建筑構(gòu)成。1958年建成并正式投入使用的主閘，其閘室結(jié)構(gòu)為開敝式，主要材質(zhì)為鋼筋混凝土，共有16孔，閘寬32m，孔寬2m，配有人工啟閉的豎軸鋼閘門。在引水渠的渠首位置，設(shè)有閘孔為2.1m×1.5m的灌溉閘，同樣配有以鋼筋混凝土為主要材質(zhì)的閘門。勘探資料表明，黃河壩水閘屬于中型水利工程，其作用主要是灌溉、防洪及供水，擁有較為理想的綜合效益。但由于水閘所在區(qū)域有大量砂礫石存在，結(jié)合砂礫石地基固有特征，對建設(shè)方案加以確定，其重要性不言而喻。

2 砂礫石地基水閘防滲設(shè)計

2.1 計算水閘滲流

對邊界條件簡單的項目而言，根據(jù)相關(guān)公式計算滲流的難度較小，計算結(jié)果也較為準(zhǔn)確。本項目所采取防滲布置方案相對復(fù)雜，僅憑借理論計算無法得到準(zhǔn)確答案，此時，工作人員可酌情選用流網(wǎng)法、阻力系數(shù)改進法或其他方法，通過計算的方式，確定近似值。

下文以阻力系數(shù)改進法為例，系統(tǒng)的介紹了水閘滲流計算過程，供相關(guān)人員參考。

(1)

式中：ζ0為進出口段阻力系數(shù)；ζy為垂直段阻力系數(shù)；ζx水平段阻力系數(shù)；S為板樁/齒墻入土的實際深度，m；T為地基透水層的實際深度，米；Lx為水平段長度，米；S1和S2分別代表齒墻入土的實際深度與板樁入土的實際深度，m。

在利用上述公式完成計算后，工作人員便可確定分段水頭損失進而確定總水頭損失，最終確定滲透坡降。

(2)

式中：hi為分段水頭的實際損失值，米；ζi為阻力系數(shù)；△H為經(jīng)過修正的損失值。

2.2 確定防滲方法

2.2.1 排水防滲

針對砂石土地基所建設(shè)水閘展開的防滲處理工作，不僅是項目建設(shè)重點，同樣是項目建設(shè)難點，一旦出現(xiàn)處理不當(dāng)?shù)那闆r，及易出現(xiàn)滲漏、管涌等問題，不僅會縮短水閘的使用壽命，更嚴重的是會給群眾生命財產(chǎn)安全帶來威脅。由此可見，以實際情況為依據(jù)，對防滲方法加以選擇很有必要。

雖然水平防滲、垂直防滲均對滲壓水頭有削減作用，且對閘室整體穩(wěn)定性有益；但閘底板有滲透壓力存在的情況，仍然無法避免。對排水系統(tǒng)加以設(shè)置的目的，主要是持續(xù)降壓，確保滲透水量能夠?qū)С觯档蜐B透壓力[1]。設(shè)計人員考慮到砂礫石極易出現(xiàn)滲透變形的情況，遂決定在排水管道底部設(shè)置反濾層，保證濾層方向與滲流方向正交。除特殊情況外，濾層厚度均應(yīng)控制在20cm以內(nèi)，材料以土工編制物、砂礫石為主。

2.2.2 水平防滲

正常情況下，水閘所用水平防滲體均由兩部分構(gòu)成，即閘底板、上游鋪蓋。其中，上游鋪蓋的類型相對豐富，現(xiàn)階段，常見鋪蓋類型有壤土鋪蓋、黏土鋪蓋和混凝土鋪蓋，另外，由鋼筋混凝土所制成鋪蓋也較為常見。砂石土地基適用鋪蓋的類型以混凝土、鋼筋混凝土為主，事實證明，這樣做既能夠確保防滲效果，又可以降低施工難度。

文章所討論項目對鋪蓋的要求為厚度相等，長度不得超過25cm，厚度不得薄于0.5m。要想將外界溫度、地基沉降所帶來影響減弱，沿水流方向設(shè)置永久縫很有必要，這樣做可以抵消一部分回填土、翼墻給鋪蓋帶來的影響。

一般來說，閘底板的結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土，工作人員可結(jié)合上部結(jié)構(gòu)所提出要求，通過沿水流方向延長底板長度的方式，來延長滲徑[2]。但要注意一點，這樣做需要大量資金作為支持，因此，通過加長底板的方式，使?jié)B徑呈現(xiàn)出理想長度的方法，尚未得到大范圍推廣，在建設(shè)文章所討論項目時，僅能作為輔助方案投入使用。

2.2.3 垂直防滲

砂礫石地基對滲流坡降所提出要求較為嚴格，要想將水閘建立在砂礫石地基上，工作人員既要運用水平防滲，還要有選擇性的引入垂直防滲措施，其中，起決定作用的主體為垂直防滲。

1)板樁：

作為水閘工程常用防滲體，根據(jù)所用材料對板樁加以劃分，可得到鋼板樁和木板樁，另外，近幾年，以鋼筋混凝土為主要材料的板樁，走進大眾視野。本項目所選用板樁的材料為鋼筋混凝土，防滲效果基本能夠達到預(yù)期。

由實踐所得經(jīng)驗可知，要想使板樁發(fā)揮出應(yīng)有的防滲作用，關(guān)鍵是將齒墻加設(shè)在板樁側(cè)面，待板樁施工告一段落，再利用水泥砂漿，對齒墻做灌孔處理。現(xiàn)階段，可被用來連接底板和板樁的方式，主要有以下兩種：①如果連接處具有較大厚度，盡量將板樁靠近底板的前緣，裸露在外的部分，則可作為混凝土模板加以運用，為后續(xù)工作的開展提供便利。如果樁頂高程不滿足一致性要求，工作人員可通過澆筑混凝土蓋梁的方式，賦予板樁良好的整體性，并降低止水布置環(huán)節(jié)的難度。②在齒墻下端設(shè)置板樁，借助軟接頭，確保板樁頂部能夠完全嵌入槽內(nèi)。由于閘室有沉降可能，要想避免透水情況出現(xiàn)，工作人員需要利用瀝青對板樁嵌入槽加以填充。可被用來對板樁做沉樁處理的方案有兩個，分別是沖沉沉樁和打入沉樁，砂礫石地基更適合沖沉沉樁，該方案僅需耗費較少時間，就能夠取得相對理想的效果，接縫數(shù)量也在可控范圍內(nèi)。另外，沖沉沉樁的優(yōu)勢，還包括節(jié)約材料、成本低廉等。

由于垂直防滲所用板樁需要提前制作，因此，對其質(zhì)量加以控制的難度較小。但是，在實際施工時，一旦出現(xiàn)板樁不閉合的情況，防滲效果就會受到極為直觀的影響，這也是板樁防滲的不足之處。

2)連續(xù)墻：

在地下修建連續(xù)墻目的，主要是承重、擋土、截水與防滲，近幾年，以圍堰及閘壩為代表的諸多工程，均運用連續(xù)墻。按筑墻材料來分類，可將連續(xù)墻分為黏土墻、混凝土墻和鋼筋混凝土墻，文章所討論砂礫石地基，更適合運用鋼筋混凝土連續(xù)墻。

連續(xù)墻施工的流程，通常可被劃分如下：①在前期準(zhǔn)備階段，通過開挖的方式，得到有導(dǎo)向作用的導(dǎo)墻，保證開挖槽段具有理想的寬度及垂直度，可使土層穩(wěn)定性得到維護。與此同時，導(dǎo)墻還可為混凝土導(dǎo)管、導(dǎo)槽設(shè)備提供安置基礎(chǔ)。②在開挖槽段時，施工人員要明確槽壁穩(wěn)定性會給后續(xù)施工帶來的直接影響，只有借助泥漿，為槽壁打造滲透性極小的保護層，將泥漿滲透槽壁的途徑徹底阻斷，才能避免出現(xiàn)墻體質(zhì)量未達到預(yù)期的情況。當(dāng)然，由于泥漿含有大量電解質(zhì)，土質(zhì)吸水分散及膨脹等問題，均可得到有效解決，這也極大程度降低了土層軟化導(dǎo)致槽壁坍塌的可能性[3]。③利用密度較低的泥漿，將槽內(nèi)原有稠泥漿盡數(shù)替換，徹底清理槽底沉積物及鉆渣，通過提升承載力的方式，避免墻體沉陷等問題出現(xiàn)。一般來說，在清槽工作結(jié)束1h后，如果槽底殘留沉渣的厚度不超過20cm，便代表清槽成功。

連續(xù)墻的優(yōu)勢是有相對成熟的技術(shù)，質(zhì)量控制的難度較低，另外，還可使砂礫石地基具有更加理想的承載力。當(dāng)然，該項技術(shù)也有較為明顯的不足存在，即：連續(xù)墻往往由多段2-8m的墻段銜接而成，如果施工人員沒有做到科學(xué)處理墻段接口，將會使連續(xù)墻作用的發(fā)揮情況受到制約。

3)噴射灌漿：

該法強調(diào)以利用鉆機使注漿管到達預(yù)定土層深度為前提，借助高壓對漿液進行噴射，形成可使土層得到?jīng)_擊的噴射流。當(dāng)噴射流壓力超過土層強度，便會有大量顆粒由土層剝落，其中，少數(shù)細顆粒跟隨漿液從地面冒出，剩余顆粒受重力、沖擊力與離心力影響，完全融入漿液，并且能夠按照特定要求排列，等到漿液完全凝固，融入其中的顆粒，便會以固結(jié)體的形態(tài)存在于漿液中，防滲帷幕隨之形成。以噴射方向和軌跡為依據(jù)，可將噴射灌漿分為擺噴、定噴和旋噴等形式，文章所討論的項目選擇擺噴與定噴相結(jié)合。

而決定噴射灌漿能否發(fā)揮出應(yīng)有作用的要素，主要是灌漿材料和配制方案，只有確保二者科學(xué)且合理，才能使固結(jié)土具有理想的質(zhì)量及穩(wěn)定性。在正常情況下，砂礫石地基所用灌漿材料均以水灰比是1∶1的純水泥為主，如果項目所在地區(qū)的地下水擁有較大流速，此時，仍然對純水泥加以運用，較易出現(xiàn)沖失的問題，在對多方因素加以考慮后，工作人員可以按照特定比例，將速溶早強劑、硅酸鹽水泥充分混合，再根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，完成帷幕布孔等環(huán)節(jié)[4]。實踐結(jié)果表明，噴射灌漿的優(yōu)勢，主要是工期可控、方法簡單，但如果項目所在地區(qū)的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，有植物根莖、大浮石存在，極易使高壓噴射流被削弱，帷幕整體性也會受到影響。

3 結(jié) 論

由上述內(nèi)容可知，在承載力方面表現(xiàn)突出的砂礫石，對基礎(chǔ)變形有良好的適應(yīng)性，將其作為地基投入使用是大勢所趨。由于在滲流方面，水閘所提出要求較為嚴格，因此，研究防滲措施很有必要。上文著重介紹了現(xiàn)階段常見的防滲方案，在實際施工時，工作人員應(yīng)做到綜合考慮投資、外部條件等因素，確保所選定方案可最大程度發(fā)揮出自身優(yōu)勢。