宿州市埇橋區王橋閘防滲排水設計

趙少華

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，合肥230088）

1 概述

王橋老閘位于沱河中游、 宿州市埇橋區蘆嶺鎮塌陷區內，目前已不能運行。為了水閘的安全和蓄水的需要， 王橋閘需要移址到塌陷區下游8.05km處重建。 重建的王橋閘5年一遇流量為268m3/s，20年一遇流量428m3/s，50年一遇流量509m3/s。新閘設計孔數為5孔，單孔凈寬為7m，屬中型水閘，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。 高程系采用1985國家高程基準。

2 工程地質條件

根據王橋閘所在的地質鉆孔揭露情況， 土層從上至下大致可分為以下3個土體單元，描述如下：

圖1 王橋閘縱剖視圖

3 防滲排水設計

3.1 防滲長度計算

王橋閘擋水工況為單向擋水， 閘基屬單向滲流，擋水工況最大水頭差5.25m，閘室建基面高程為16.7m，出口消力池建基面高程為15.35m。在防滲范圍內閘基表層主要為砂壤土，閘基防滲長度按式（1）計算：式中 L為閘基防滲長度（m）；ΔH為上、下游最大水位差（m）；C為滲徑系數。 王橋閘閘基防滲長度結果如表1。

表1 王橋閘閘基防滲長度計算成果 單位：m

經計算，王橋閘閘基防滲長度需57.75m，王橋閘閘室底板長14.5m，上游混凝土鋪蓋長15.0m，下游側鋼筋混凝土消力池不透水部分水平長度14.0m，閘基實際水平防滲長度為43.5m，不滿足要求，故需對水閘閘基進行防滲處理。

3.2 阻力系數法計算滲透穩定

為避免閘基砂壤土水平滲透破壞和下游出逸比降過大引起流土或管涌破壞， 需對水閘閘基進行滲透穩定計算，保證蓄水期間水閘正常運行。水閘底板下分兩層地基，②層為砂壤土，可視為透水性較強的土層，③層為重粉質壤土，可視為相對不透水層。閘基滲透壓力計算按照SL265—2016《水閘設計規范》公式進行。

進、出口段的阻力系數：

式中 ξy為內部垂直段的阻力系數。

水平段阻力系數：

式中 hi為各分段水頭損失值 （m）；ξi為各分段的阻力系數；n為總分段數。

出口段滲流坡降計算公式：

式中 J為出口段滲流坡降值。

按照上述公式計算， 求得閘基水平段和出口段出逸坡降結果如表2。

表2 王橋閘閘基水平段和出口段滲透坡降計算成果（無截滲墻）

經計算， 王橋閘閘基水平段最大水力坡降為0.224、出口段最大水力坡降為0.333，水平值大于地質參數規定的允許坡降0.15，閘基的滲透穩定計算成果不滿足要求，故需對閘基進行防滲處理。

3.3 Autobank軟件計算滲透穩定

采用Autobank軟件 （有限元方法求解二維滲流控制方程）進行水閘滲流計算，通過定義材料、劃分網格、 定義邊界條件后進行計算并繪制水閘閘基滲流的二維流網。 計算結果如圖2。

圖2 王橋閘閘基滲流計算成果圖（無截滲墻）

圖2結果顯示，王橋閘閘基水平段最大水力坡降為0.215，出口段最大水力坡降為0.381，水平值大于地質參數規定的允許坡降0.15，閘基的滲透穩定計算成果不滿足要求，故需對閘基進行防滲處理。

3.4 防滲處理措施

從上述3項計算可看出：閘基的防滲不滿足要求。為保證蓄水期間水閘正常運行，根據閘基土層分布和砂壤土性質，可采用水平防滲或垂直防滲、閘基接觸面土層處理及設置出口排水反濾等措施解決王橋閘閘基滲流問題。水平防滲措施通常可采用增加上游水平鋪蓋，常用方式為混凝土鋪蓋。 垂直防滲根據王橋閘擋水情況和地基土特性，結合其他工程經驗，可采用多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻，截斷閘基下部透水層。 考慮水平防滲增加鋪蓋長度較大，且鋪蓋止水易損壞，鋪蓋底部易產生通道，難以保證長久的防滲效果，本次設計采用垂直防滲措施達到一勞永逸的效果。

多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻布置于閘底板上游2.0m處、鋼筋混凝土鋪蓋底部，下部進入③層重粉質壤土不小于1.0m，墻厚0.25m，兩端橫向延伸入翼墻底板，總長約50.0m。

為解決閘基排水，減小下游地基滲透壓力，在下游消力池后段設置3排φ500mm冒水孔，梅花形布置，行距和孔距均為2.0m，其下設反濾體。 反濾料結構自上而下分別為碎石0.2m，瓜子片0.2m，中粗砂0.2m，開挖欠高部位底部中粗砂適當加厚。

根據上述所采取的措施， 采用阻力系數法及Autobank軟件進行水閘滲流驗算， 阻力系數法計算結果如表3，Autobank軟件計算結果如圖3。

表3 王橋閘閘基水平段和出口段滲透坡降計算成果（有截滲墻）

圖3 王橋閘閘基滲流計算成果圖（有截滲墻）

經計算， 王橋閘閘基水平段最大水力坡降為0.003，出口段最大水力坡降為0.002，均小于地質參數規定的允許坡降，閘基的滲透穩定計算成果滿足要求。

根據圖3計算結果，王橋閘閘基水平段及出口段最大水力坡降均接近于0，小于地質參數規定的允許坡降，閘基的滲透穩定計算成果滿足要求。

采用阻力系數法及Autobank軟件計算的水閘閘基滲流結果均滿足滲透穩定要求， 故采用水泥土換填及截滲墻措施后，閘基防滲效果顯著。

3.5 截滲墻設計指標及技術要求

多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻主要設計指標如表4。

表4 截滲墻主要設計參數

在截滲墻施工前應采用試驗方法來確定截滲墻施工工藝、水泥摻入量及水灰比，具體要求如下：

（1）在永久截滲墻部位取原土樣進行水泥土室內試驗（每種工況不少于3組）， 測定水泥土不同齡期、不同水泥摻入量和水灰比的試塊滲透系數、抗滲能力和抗壓強度，確定合適的水泥摻入量和水灰比。

（2）成墻過程中根據地質情況記錄有關施工參數和可能出現的問題。

（3）成墻施工結束后，對形成的截滲墻取樣試驗，并開挖檢查成墻質量，開挖深度2.0m左右，根據試驗結果和檢查情況最終確定截滲墻施工工藝。

（4）為檢測多頭小直徑攪拌樁截滲墻防滲效果，進行現場圍封注水試驗。

在截滲墻施工時采用打先導孔的方式確定樁深，確保樁基底部進入弱透水層1.0m。 根據確定的施工工藝，進行截滲墻施工，施工中按嚴格控制施工質量。 相交樁體施工間隔時間不宜超過24h，保證樁體有效搭接厚度不小于60mm， 使用的鉆頭應定期復檢，其直徑磨耗量不得大于15mm。

在成樁后7d內，采用輕便觸探器鉆取樁身土樣檢查樁體均勻情況與完整性，抽檢比例一般不低于2%。

在截滲墻墻體抽芯取樣，取樣高程分別位于砂層及其上部黏性土層， 分別進行28d齡期的抗壓強度試驗和水泥土水平滲透試驗， 要求每層土至少3試樣。現場取土，采用32.5R普通硅酸鹽水泥，按樁體水泥摻入比（15%）拌制土樣，進行室內試驗，測定水泥土的抗壓強度指標與滲透系數指標，與抽芯取樣試驗成果進行比較。 采用探地雷達等試驗方法，抽查截滲墻是否有異常部位或質量缺陷處，每孔之間連接是否可靠。

4 結語

（1）砂壤土具有強度較高，抗沖條件較好等優點，是良好的下臥層，但砂壤土滲透系數較高，抗滲條件較差，當水閘等建筑物基面直接與此類土接觸時，要注意閘基的防滲排水設計，防止出現閘基的滲透破壞。

（2） 多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻是目前水工建筑物地基處理常用的一種截滲技術， 具有工藝簡單、造價低廉等優點，施工中通過多樁相連形成一道截滲墻，截滲效果顯著。

（3）截滲墻實際施工過程中一定要按照設計的指標及技術要求進行，施工質量的好壞直接關系到閘基的防滲效果，進而影響整個水閘后期的運行。

（4）王橋閘建成使用已有3年，水閘運行期間效果顯著，蓄水庫容大為增加，滿足了周邊240hm2土地的灌溉要求，同時還為當地的工業和生活用水提供了保障。