李聰磊

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

國民經(jīng)濟(jì)的迅速崛起推動(dòng)了水利事業(yè)的不斷發(fā)展，水閘作為水利樞紐的重要組成部分，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。平原區(qū)涵洞式水閘是比較常見的水閘形式之一，其作為主要灌、排水通道，分布廣泛，意義重大，一般下穿堤身而建，洞身相對(duì)較長[1]。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，因滲透穩(wěn)定問題而引起水利工程失事的案例時(shí)有發(fā)生，60%以上的堤坡失穩(wěn)是由滲流破壞引起的[2]，而在水閘失事中該比例約為32.8%[3]。涵洞式水閘作為主要穿堤建筑物，工程規(guī)模一般較小，投資不大，洞頂以上覆土相對(duì)較厚，設(shè)計(jì)人員更加注重地基承載力的影響，而閘基滲透穩(wěn)定問題并未引起足夠重視。涵洞式水閘一旦建成后，洞頂以上為堤身回填土覆蓋，閘基的滲透破壞具有明顯的隱蔽性，而這種滲透破壞一旦發(fā)生卻很難補(bǔ)救[4]。鑒于此，本文以安徽省沱河右岸勝利溝涵為典型工程實(shí)例，采用有限元軟件Autobank進(jìn)行穩(wěn)定滲流仿真計(jì)算，對(duì)比分析不同水泥土換填厚度對(duì)閘基滲透穩(wěn)定的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出具有可操作性、經(jīng)濟(jì)性的防滲處理措施，可為類似工程提供參考和依據(jù)。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

勝利溝涵位于安徽省沱河右岸，隸屬蚌埠市固鎮(zhèn)縣境內(nèi)，為勝利溝與沱河交匯處的主要排水通道，是典型的涵洞式水閘，控制流域面積為7.5 km2，所在堤防級(jí)別為5級(jí)。該閘建于1975年，年久失修，結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，工程安全問題較為突出，結(jié)合安全鑒定結(jié)果，需拆除重建。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)條件，新建勝利溝涵具有防洪、排澇、蓄水等功能，水位條件見表1(1985國家高程基準(zhǔn)，余同)。

表1 規(guī)劃水位條件

勝利溝涵采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，單孔，孔徑為3.0 m×3.0 m(寬×高)，水閘底板頂面高程為18.10 m，底板厚為0.5 m，洞身長為37.0 m，洞頂以上覆土厚度為2.6 m。根據(jù)設(shè)計(jì)流量、功能和所在堤防等級(jí)確定該水閘為Ⅳ等小(1)型水閘，洞身等主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)鉆孔勘探及室內(nèi)試驗(yàn)成果，閘址建基面以下地層主要為重粉質(zhì)壤土與砂壤土互層，各土層相關(guān)指標(biāo)見表2所示。

表2 閘址處建基面以下地層分布及主要參數(shù)

閘址處地下水類型主要為孔隙水，廣泛賦存于重粉質(zhì)壤土和砂壤土中，受大氣降水、河水等地表水補(bǔ)給，與表層水水力聯(lián)系密切，隨季節(jié)變化起伏。此外，②1層與③1層砂壤土含水層具有承壓性，且埋藏較深，其對(duì)涵洞式水閘底板具有較強(qiáng)的頂托作用，對(duì)閘室底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利。

3 模型的建立及參數(shù)選取

3.1 模型的建立

采用有限元單元法對(duì)閘室底板進(jìn)行滲流模擬計(jì)算的理論已十分成熟[5-7]，本文根據(jù)二維穩(wěn)定滲流場有限元法基本理論[8-9]，分別對(duì)該涵洞式水閘天然地基和不同水泥土換填厚度下的閘基滲流進(jìn)行模擬分析。取最不利工況進(jìn)行計(jì)算，閘上水位為21.20 m，閘下側(cè)水位為18.10 m，最大水頭差為3.1 m。模型范圍示意見圖1～2。

圖1 天然地基模型范圍示意(單位:m)

圖2 水泥土換填模型范圍示意(單位:m)

3.2 參數(shù)選取

水泥土一般是由水泥、外加劑、水拌和后摻入一定量的重粉質(zhì)壤土或粘性土組成，通過水泥中礦物與土中的水分發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)[10]，從而使其結(jié)構(gòu)致密，增強(qiáng)水泥土強(qiáng)度，提高水泥土抗?jié)B性能。按設(shè)計(jì)要求，水泥摻入比為10%，壓實(shí)度不小于0.96。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]，在本次設(shè)計(jì)條件下，水泥土滲透系數(shù)大致為2.0×10-10～8.0×10-10m/s。結(jié)合本地區(qū)類似工程經(jīng)驗(yàn)，水泥土滲透系數(shù)取為5.0×10-10m/s，其余土層的滲透系數(shù)見表2。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

Autobank是比較常見的有限元分析軟件，具有原理明確、結(jié)果可靠、操作便捷、界面友好等特點(diǎn)。本文通過Autobank對(duì)閘室底板進(jìn)行滲流模擬計(jì)算，分析不同水泥土換填厚度下閘室底板滲透穩(wěn)定的變化規(guī)律。

4.1 天然地基滲流模擬分析計(jì)算

當(dāng)閘址處未進(jìn)行地基處理時(shí)，即為天然地基，根據(jù)天然地基模型進(jìn)行有限元計(jì)算，得到此時(shí)的最大滲透出逸比降以及單寬滲流量，其中水頭分布等值線見圖3。

圖3 天然地基滲流等值線示意(單位:m)

根據(jù)圖3，水頭損失主要發(fā)生在閘下游滲流出口處的②層重粉質(zhì)壤土覆蓋層中，說明微弱透水層能顯著提高水閘底板的防滲效果，提高滲透穩(wěn)定。通過計(jì)算，單寬滲流量為4.64×10-7m3/s，最大出逸比降為1.21，遠(yuǎn)大于②層重粉質(zhì)壤土層的允許坡降0.45，不滿足設(shè)計(jì)要求，易發(fā)生閘基滲透破壞，需要進(jìn)行地基處理。

4.2 水泥土換填后滲流模擬分析計(jì)算

閘室建基面下臥土層挖除后，采用水泥摻量為10%的水泥土換填處理，壓實(shí)度按不小于0.96控制，分別計(jì)算換填厚度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m的最大滲透出逸比降、單寬滲流量，計(jì)算結(jié)果見表3，其中換填厚度為2.0 m的水頭分布等值線如圖4所示。

表3 水泥土不同換填厚度下的計(jì)算結(jié)果

圖4 水泥土換填后滲流等值線示意(單位:m)

根據(jù)圖4，涵洞式水閘閘室底板采用水泥土換填后，引起地基土層滲透系數(shù)的降低，增強(qiáng)了閘室底板土層的防滲效果，水頭損失更多發(fā)生在滲透系數(shù)較小的水泥土換填土層和滲流出口處的②層重粉質(zhì)壤土覆蓋層中，而在透水砂層內(nèi)部的水頭損失則很小，說明在透水砂基中采用水泥土換填是可行的。

由表3可知，隨著水泥土換填厚度的增加，最大滲透出逸比降和單寬滲流量均逐步降低，說明水泥土對(duì)于閘室基礎(chǔ)防滲有良好作用。在換填厚度為2.0 m時(shí)，單寬滲流量為3.7×10-9m3/s，約為天然地基下單寬滲流量的0.8%，而此時(shí)最大滲透出逸比降為0.42，約為天然地基下最大出逸比降的35%，同時(shí)也小于滲流出口土層②的允許坡降0.45，說明在本工程條件下?lián)Q填厚度大于2.0 m時(shí)可保證最大滲透出逸比降在許可范圍之內(nèi)，且顯著降低單寬滲流量，確保滿足設(shè)計(jì)要求。因此，在滿足滲透穩(wěn)定要求的前提下，水泥土換填厚度需通過分析計(jì)算合理確定，選擇最優(yōu)換填深度，達(dá)到安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。

5 防滲處理措施

根據(jù)上述有限元模擬分析結(jié)果，涵洞式水閘基礎(chǔ)防滲采用水泥土換填在一定程度上是可行的。水泥土換填具有施工簡易、技術(shù)成熟、質(zhì)量可控、經(jīng)濟(jì)合理、就地取材等優(yōu)點(diǎn)。鑒于此，對(duì)于工程規(guī)模較小、投資有限的涵洞式水閘建筑物，在下臥透水砂層不厚的情況下一般不宜采用復(fù)雜的防滲處理措施，而采用水泥土換填處理是合理的。水泥土換填施工中需嚴(yán)格控制土的含水率和水泥摻入比[18]，注重施工中的攤鋪碾壓工序、工后養(yǎng)護(hù)及質(zhì)量檢測(cè)，達(dá)到閘室底板防滲的質(zhì)量目標(biāo)。

為保證閘室底板滲透穩(wěn)定，增強(qiáng)其安全富裕度，也可在下游消力池底板增設(shè)反濾排水設(shè)施，如排水管、減壓井等，進(jìn)一步降低閘底板滲透壓力[14]，提高底板滲透穩(wěn)定性。對(duì)于深厚透水砂基上工程規(guī)模較大、建筑物級(jí)別較高的重要水閘，水泥土換填具有一定的局限性，受到土層開挖深度的限制，此時(shí)宜采用防滲墻技術(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[15-17]，防滲墻對(duì)閘底板防滲具有較滿意的防滲效果。水閘底板防滲設(shè)計(jì)需因地制宜，綜合分析，多方案比較和論證，最終選擇可操作強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理的防滲處理措施。

6 結(jié)語

在透水砂基中，水閘底板的滲透穩(wěn)定是影響工程安全的決定性因素。本文通過有限元軟件Autobank，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)涵洞式水閘進(jìn)行二維穩(wěn)定滲流仿真分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：① 采用水泥土換填可以有效降低滲流量和最大出逸比降，提高閘底板滲透穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求；② 水泥土換填在小型水閘工程中具有較強(qiáng)的適用性，而對(duì)于建筑物級(jí)別較高的大中型水閘，則需考慮采用防滲墻技術(shù)。

在實(shí)際水利工程中，水泥土換填更多地用于提高地基的豎向承載力，而在閘室基礎(chǔ)防滲方面較少應(yīng)用。本文通過工程實(shí)例模擬分析，進(jìn)一步論證了水泥土換填在提高基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定方面的可行性和合理性，類似工程中可將地基承載力與底板滲透穩(wěn)定性的提高統(tǒng)一考慮。