樁頂褥墊層截滲對水閘滲流的影響

謝義偉 德州市水利局水利施工處

張虎 德州市水利局引黃工程維修施工處

1.案例分析

海陽市留格攔河閘閘室的長度是9 8 米，結構形式屬于整體式結構，且閘室兩孔一聯。在新建水閘前，通過現場調查與數據收集分析得出，閘室地下的地質情況分為兩點：其一，全風化花崗巖的厚度達到了2到3.2米，實際承載力特征數值可以達到110kPa；其二，全風化花崗巖的承載力特征數值達到了280kPa。因此，施工單位在正式處理前提出，閘室的持力層地基水平沒有達到設計要求，要引用CFG樁復合地基方案進行地基處理，并在樁頂設計300毫米厚度的褥墊層，以此來提高閘基礎的整體承載能力。

2.分析滲流

2.1 水閘及其滲流類型

水閘是指運用閘門擋水與泄水的中低水頭水工建筑物，通常情況下存在于水庫、河道等項目中。需要注意的是，在設計水閘時對滲流情況進行計算，有助于項目管理人員更加全面的了解滲流量、滲流對水閘地基的影響等，以此為后續解決水閘結構形變等問題提供有效依據。了解當前水閘工程建設情況可知，滲流對建筑物產生的破壞非常嚴重，且大都是不可預測的，若是發現也很難處理。一般來講，滲流類型有管涌、流土及接觸流土等。出現這些現象的原因分為兩點：其一，內因。如土的性質等，影響著滲流出現的形式；其二，外因。如水流的條件等；通過研究這一影響因素，可以明確土體是否可以承擔滲流坡降，并提出有效的處理對策，從而保障出口區域的基土不會受影響。

2.2 樁頂褥墊層作用

現階段，在我國處理地基工作中，CFG樁復合地基展現出了積極作用。對復合地基而言，是否在基礎之下設計褥墊層對其承載水平的影響極大，如果在施工期間沒有設計褥墊層，復合地基的承載特性與樁基礎類似，無法充分展現樁間土的承載水平。而在基礎之下設計褥墊層，有助于樁間土的承載力水平得到充分發揮，確保荷載在褥墊層的引導下進入樁間土中，從而讓樁、土共同承擔荷載。在海陽市留格攔河閘工程建設中，如果只是設置樁頂褥墊層，而不進行截滲，那么在水壓力的作用下CFG樁褥墊層中會形成一條滲流通道，這樣就加大了地基的水力坡降與滲流量，對閘室的安全穩定而言產生很大的威脅；在水閘建設中通過設計齒墻對樁頂褥墊層進行截滲，對比以往的施工項目，滲流量得到了有效控制，且保障了水閘滲流的平穩性，并減少上游的滲流量；齒墻在控制水利坡降的效果上非常顯著。

2.3 構建模型及計算結果

第一，通過運用AutoBa n k有限元分析軟件，針對本文概述案例進行模型構建，主要分析閘底板、土及褥墊層之間在作用下的數值模型，以此全面分析齒墻對褥墊層抗滲的影響。其中構建模型分為兩種，一種會在褥墊層設計兩道齒墻進行截滲，另一種不設計齒墻。如圖1。

圖1 褥墊層設計

第二，需要注意的是，為了保障實驗探究的安全性，操作會從低水位與高水位的檢修工作情況入手進行對比分析。同時，還要在研究前明確滲流計算原理，具體公式如（1）所示：

其中公式中的φ=（x,y）代表等待求解的水頭勢函數；而x，y表示平面坐標；kx和ky為x，y軸方向的滲透系數。需要注意的是，在計算過程中，必須要保障水頭φ符合預先提出的邊界要求，如在上游邊界的水頭φ=φ'等。

通過運用有限元中的離散，并預先設定單元滲流場的水頭φ是多項式，而后引用微分方程與邊界條件明確問題的變分形式，最終可以得到如（2）所示的線性方程組：

其中公式中的[H]代表滲透的矩陣，而{φ}表示滲流場的水頭，是指節點的滲流量。在計算上述方程組時，現場施工人員可以明確節點水頭，并由此計算出流速、水力坡降等信息。以高水頭工作情況為例，計算結果如表1所示。

表1 水利坡降表

第三，研究滲流模擬結果。

一方面，設計齒墻滲流影響著褥墊層的滲流量。整合研究現場收集的數據進行分析可知，滲流量最高的是無齒墻有褥墊層；滲流量最低的是有齒墻有褥墊層。設計齒墻的區域，水閘滲流量會隨著水頭提高持續增加，這也證明設計褥墊層會構成透水通道，并由此增加水閘滲流量。而對比沒有齒墻與設計齒墻的區域發現，滲流量得到了有效控制，通過齒墻做好截滲工作，充分發揮復合地基的優勢，且不會影響水閘工程的日常運行。另一方面，齒墻截滲有助于控制水利坡降。以上面工作情況為例，無齒墻、無褥墊層地基的水力坡降可以達到0.79，而無齒墻、有褥墊層地基的坡降是1.11，相比前者增加了百分之四十點五。而有齒墻、有褥墊層地基的水利坡降只有0.72，對比沒有齒墻的區域減少了百分之三十五點一。由此可知，在相同水位內，通過在水閘底板中設計褥墊層，能增加地基的整體承載能力，但也會加大地基的水利坡降，影響水閘的平穩性。而在褥墊層中設計齒墻進行截滲，就能有效的減少水利坡降。這樣能充分發揮褥墊層的作用，在提高地基承載力的同時又保證了水閘的安全運行。

3.基于樁頂褥墊層截滲解決水閘滲流的有效策略分析

3.1 累積豐富施工經驗

從我國當前水閘工程建設情況可知，我們在水閘工程建設中應用的截流技術要遠遠低于其他國家。因此，我們在處理水閘滲流問題時，必須要整合以往工程建設經驗，合理借鑒其他國家的優秀施工案例，并結合自身工程項目特點進行改進。只有這樣才能全面提高我國水閘地基建設的截流水平，保障水閘工程的質量安全。同時，在施工期間還要針對不同的滲流情況進行深入探索，認真將其記錄到工作日志中，以此為后續水閘安全運行研究奠定基礎。

3.2 優化現場準備工作

一，材料要求。一方面要保障石子粒徑不能超過30毫米，且內部沒有雜質，含泥量要低于百分之五，另一方面要運用粗砂或中砂進行材料配置，并將級配比例控制在3：7；二，應用設備。施工常見設備有手推車、水管、平板式振動器等，在正式施工前，施工人員必要結合施工步驟準備適宜的機械設備；三，作業條件。預先明確褥墊層的施工厚度，并了解齒墻的設計要點。

3.3 科學保護施工成品

具體工作包含：其一，在回填碎石時，要著重保護軸線樁，并在現場進行復測；其二，在施工期間要有效保護邊坡，預防土流進入槽內；其三，在完成碎石鋪夯工作后，要控制來往車輛和行人的數量。

3.4 關注施工質量問題

具體工作包含：其一，全面管控褥墊層施工工藝標準，確保夯實次數超過四次；其二，保障振搗工作的均衡性與科學性，減少局部下沉現象的發生；其三，在石子裝車的過程中，不要將地表土混入其中；其四，認真核查施工圖紙，保證圖紙設計與現場數據一致。

4.結束語

綜上所述，樁頂褥墊層截滲對水閘滲流而言至關重要。通過整合實踐施工情況分析可知，由于我國針對水閘工程滲流提出的處理對策非常少，且累積的工作經驗不多，所以必須要通過構建對應模型，經過全方位分析才能提出有效的處理對策。這樣不僅能加強閘室的穩定性，而且可以確保水閘工程日常工作可以有序落實，最終為后續工程建設及滲流處理提供有效依據。