綜合截滲技術在東魚河大屯閘除險加固中的應用

王 琦

(菏澤市河湖流域工程管理服務中心，山東 菏澤 274100)

本文研究的東魚河大屯閘位于黃河沖積的平原部位，根據(jù)深度勘察結果，東魚河的地層包括十層(包含亞層)，其中，以壤土和砂壤土為主[1-2]。大屯閘位于東明縣大屯鎮(zhèn)游屯村南，東魚河樁號149+800處，控制流域面積 302 km2，由原菏澤地區(qū)水利局設計按河道3年一遇除澇標準，東明縣水利局于1986年2月25日開工建設。由于始建標準低，加之已運行三十多年，鋼筋混凝土閘底板碳化情況較為嚴重，閘門鋼筋混凝土部分出現(xiàn)破損、開裂的現(xiàn)象，啟閉機及電氣設備逐漸老化，存在安全隱患[3]。

為了消除大屯閘存在的上述安全隱患，提高防滲能力，本文提出了基于綜合滲透技術的東魚河大屯閘除險加固設計。

1 地層分布規(guī)律及特征

東魚河大屯閘的地層分布存在一定的規(guī)律，場地分布的特征較為明顯，本文對大屯閘地層分布的規(guī)律及特征研究如下：

第1層多數(shù)為人工回填土，土體大部分呈褐色，人工回填土以砂壤土為主，其中，包括植物的根系。人工回填土的厚度為0.80～3.90 m；層底的標準高度為53.55～56.20 m；層底的埋入深度為0.80～3.90 m。

第2層為砂壤土，分布較為密集，土壤呈現(xiàn)潮濕飽和狀態(tài)，具鐵質銹斑，夾壤土薄層。厚度1.30～4.40 m；層底的標準高度為50.92～52.75 m；層底的埋入深度為3.90～5.90 m，土層呈現(xiàn)中等透水性。

第3層壤土含鐵氧化物。土層的厚度1.40～2.20 m；層底的標準高度為49.12～50.60 m；層底的埋入深度為6.10～7.80 m。

第4層砂壤土，整體結構中夾軟塑壤土薄層，多數(shù)為淺灰色形態(tài)。土體的厚度7.00～8.20 m；土體底部高度為41.92～43.04 m；埋入高度為14.20～14.80 m。

第5層壤土含少量有機質。場區(qū)普遍分布，厚度0.80～2.00 m；層底的標準高度為40.45～41.94 m；層底的埋入深度為15.30～16.40 m。

第6層壤土含鐵氧化物及砂壤土薄層，局部偶見姜石，見鐵錳質斑點。場區(qū)普遍分布，厚度1.90～3.10 m；層底的標準高度為37.95～39.35 m；層底的埋入深度為18.00～18.80 m。

第7層砂壤土，夾壤土薄層。厚度0.80～2.00 m；層底的標準高度為35.95～37.55 m；層底的埋入深度為19.60～20.70 m。

第8層壤土含鐵氧化物及砂壤土薄層，局部偶見姜石，見鐵錳質斑點。厚度3.60～6.00 m；層底的標準高度為31.54～33.55 m；層底的埋入深度為23.90～25.90 m。

第9層砂壤土含鐵質銹斑及壤土薄層。厚度1.40～2.70 m；層底的標準高度為28.92～30.50 m；層底的埋入深度為26.40～28.40 m。

第10層壤土未穿透，揭露厚度最深可達7.20 m。滲透系數(shù)建議值為3.0×10-5cm/s，具弱透水性。東魚河大屯閘各層土體分布的物理力學指標，如表1所示。

表1 東魚河場地的土層物理指標

由于東魚河位于較為平坦的地區(qū)，區(qū)域范圍內構造發(fā)育，區(qū)域構造穩(wěn)定性較差。場地土層以下15.0 m深度內，均勻分布著全新系列土層，砂壤土存在液化的可能性。

2 基于綜合截滲技術的除險加固設計

本文設計的東魚河大屯閘，在堤壩上游兩岸的護坡處以及下游的漿砌石護坡處，設置除險加固裝置。

東魚河大屯閘整體的除險加固裝置采用鋼筋混凝土結構，采用灌注模式的樁法，在東魚河原始部位改建管理用房，結合綜合截滲技術，設計東魚河大屯閘的除險加固工程。

2.1 設計綜合截滲墻體性能指標

在設計東魚河大屯閘的除險加固工程時，將軸線設置在大壩迎水坡的堤壩2.0 m處，軸線的分布方向呈現(xiàn)平行方向，總體軸線長度范圍在2450～2870 m之間。截滲墻的整體高程達到巖石的頂面，截滲墻的厚度設計不小于155 cm。采用直徑較小的攪拌樁機，在大屯閘的放水閘部位連接樁機，充填灌漿。

在設計除險加固工程時，選取BMT-12B型號的小直徑截滲樁機，依據(jù)堤壩的地質條件與要求，在施工過程中不需要開槽操作，受降雨量以及環(huán)境條件的影響較小。將綜合截滲墻體與大屯閘防滲體之間進行連接，設置樁機的主體部分深入不透水層的深度，如果透入水層的深度過深，對堤壩的防滲體的應力作用存在不良影響。因此，本文設計的不透水層的深度范圍在0.25～2.25 m之間?；诰C合截滲體的滲透作用，堤壩的防水性能取決于化學反應作用以及機械反應的侵蝕作用，以上兩種反應作用與水力的梯度存在很大的聯(lián)系。

本文在設計綜合截滲墻體的性能時，根據(jù)堤壩的水力梯度，明確截滲墻體的具體厚度，如式(1)：

δ=H/Jp

(1)

式中：δ為截滲墻體的具體厚度，m；Jp為綜合截滲墻體允許的最大水力梯度值，取50～100；H為截滲墻體的實際厚度,m。在設計綜合截滲墻體的性能指標時，應用最多的為綜合滲透系數(shù)K，取值結果根據(jù)具體的除險加固工程情況以及截滲方法確定。一般情況下，在土石壩的截滲方法中，K的取值應當小于1×10-5cm/s；在混凝土的截滲方法中，系數(shù)應當小于1×10-9cm/s，綜合截滲系數(shù)還受到水泥多少的影響，當水泥的量過多，約占堤壩的8.25%時，系數(shù)設置在1×10-5cm/s左右即可。本文設計的綜合截滲墻體的系數(shù)指標，如表2所示。

表2 綜合滲透墻體系數(shù)指標

如表2所示，為本文設計的綜合截滲墻體的各項系數(shù)指標，對于大屯閘的除險加固工程實施，提供重要的性能參數(shù)依據(jù)。

2.2 除險加固節(jié)制閘設計

節(jié)制閘的組成部分較多，堤壩的壩坡穩(wěn)定性較差，采用作用力的圓弧法計算最大堤壩斷面。在堤壩蓄水位正常且穩(wěn)定的情況下，加固堤壩的最高斷面，計算堤壩斷面的滲流穩(wěn)定情況，如式(2)：

(2)

式中：H1為堤壩斷面上游的水位，m；H2為堤壩斷面下游的水位，m；L為綜合截滲直徑長度，m。設置節(jié)制閘的防滲體為砂黏土填筑，含有較深厚的砂礫石層，經(jīng)過復核計算，在堤壩軸線位置布置混凝土防滲墻，鋪設長度為55 m的砂礫層。

在截滲墻底嵌入風化花崗巖，以水泥作為截滲墻的固化劑，設置綜合截滲墻體總長為725 m。采用露頂式定輪鋼閘門，將閘門的主梁轉化為堤壩截面的組合梁。設計節(jié)制閘的啟閉機容量，經(jīng)過高度載荷作用后，閘門具有自動控制功能。大屯閘的負荷通常情況下為3臺配套電動機，采用雙重電源供電。

采用分布式控制節(jié)制閘閘門，監(jiān)控集控站和閘門裝置，設計每臺節(jié)制閘監(jiān)控設備控制1孔閘門，通過閘門之間的通訊總線實現(xiàn)節(jié)制閘安全管理。設計采用正循環(huán)方法進行，不允許采取加深鉆孔深度的方法代替清孔。施工前應確定灰漿泵輸漿量、設備提升速度等施工參數(shù)，保證堤壩表面的完整性，清除多余的障礙物，保證鉆具中心和樁位中心重合。

3 試驗分析

為了驗證本文提出的基于綜合截滲技術的東魚河大屯閘除險加固設計的有效性，選取堤壩中的部分區(qū)域進行防滲效果試驗分析。根據(jù)大屯閘加固堤壩的地形條件，選擇50+100、55+550、63+100三處較為典型的堤壩斷面，在堤身處鋪設復合土，設計綜合截滲墻，對三處堤壩斷面進行滲流計算。依據(jù)達西定律，采用三維有限差分法，進行大屯閘地下滲流的模擬計算。通過計算機計算堤壩的滲流流場坐標、滲流量等參數(shù)，水泥土的截滲墻系數(shù)取值5×10-6cm/s，復合土的系數(shù)取值5×10-10cm/s，獲取到的堤壩土層計算指標參數(shù)，如表3所示。

表3 三處堤壩斷面土層計算指標參數(shù) cm·s-1

如表3所示，為本次試驗的堤壩斷面土層截滲指標參數(shù)?；诮貪B指標參數(shù)，對三處堤壩斷面進行滲流計算，將堤壩斷面的現(xiàn)狀與采用本文提出的綜合截滲技術后的滲流計算結果進行對比，如表4所示。

表4 滲流計算結果對比

如表4的滲流計算結果所示，試驗選取的三處大屯閘堤壩斷面目前出逸點的最大滲透坡降較大，高于堤身允許的滲透坡降，無法有效地進行東魚河的防滲工作。通過本文提出的綜合截滲技術處理后，出逸高度、滲流量與最大滲透坡降均有大幅度地下降，滿足大屯閘滲流穩(wěn)定的要求，能夠達到除險加固的目的。

4 結 語

本文根據(jù)堤壩的特征與分布規(guī)律，基于堤壩防滲的要求與設計原則，確定具體的截滲方案，提出的基于綜合截滲技術的東魚河大屯閘除險加固設計。試驗證明，本文提出的除險加固設計能夠有效地降低堤壩斷面的滲流量、滲降坡度以及出逸高度，滿足大屯閘滲流穩(wěn)定的要求，達到除險加固的目的。