淺析 水閘防滲與排水體系設(shè)計

高安仕鐘恒昌秦 峰

一、概況

水閘是調(diào)節(jié)水位、控制流量的低水頭水工建筑物，依靠閘門控制水流，具有擋水和泄水的雙重功能，關(guān)閉閘門可以攔洪、擋潮、抬高水位，以滿足上游取水或通航的需要；開啟閘門可以泄洪、排澇、沖沙、取水或調(diào)節(jié)下游流量。我國水利工程建設(shè)中，水閘的應(yīng)用十分廣泛，僅淮河流域內(nèi)現(xiàn)有各類水閘6000余座，其中大、中型水閘約1800座，在防洪除澇、農(nóng)業(yè)灌溉、攔潮蓄淡、城鄉(xiāng)供水、景觀旅游、生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大的作用。

上下游水位差的作用下，在水閘的閘基及兩岸土體內(nèi)產(chǎn)生閘基滲流和側(cè)向繞流兩類，閘基滲流屬于有壓滲流；繞過兩岸連接結(jié)構(gòu)的滲流具有自由水面（浸潤面），屬于無壓滲流。閘基滲流對閘室底板產(chǎn)生向上的滲透壓力，減小了閘室的有效重量，而兩岸的繞滲，不僅對水閘岸、翼墻底面產(chǎn)生向上的滲透壓力，而且會對墻背產(chǎn)生側(cè)向水壓力。閘基滲流和岸坡繞滲會導(dǎo)致水庫漏水引起水量損失，滲透壓力對閘室和兩岸聯(lián)接建筑物的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，更重要的是可能導(dǎo)致在閘基、岸坡以及滲流出逸處發(fā)生滲透變形，直接危害水閘的安全。

在滲透水流作用下，土體失去部分承載力及滲流阻力而產(chǎn)生的變形現(xiàn)象，稱為滲透變形，閘基滲透變形分為管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土等。滲透破壞是擋水、防滲工程在運用期及施工期遭受破壞或失效的主要原因之一。本文對水閘防滲體系設(shè)計中的滲流計算方法、防滲排水設(shè)施布置、地基防滲處理手段等問題進行探討分析。

二、滲流計算方法

滲流分析目的是求得閘下滲透場的各滲透要素，如滲透壓力分布、滲流出逸處的滲透坡降等，為選擇合理的滲流控制措施及評價閘壩的安全可靠性提供必要的依據(jù)。土基上閘壩基礎(chǔ)滲透壓力的計算方法有理論計算法、近似計算法和電模擬試驗法等。理論計算法只有在邊界條件比較簡單的情況下才能求解，而對防滲布置比較復(fù)雜的邊界條件理論計算法很難獲得精確的解答。電模擬試驗法是比較精確的求解方法，但需要一定的時間和經(jīng)費，不是所有工程都有條件采用的。近似計算法很多，有直線比例法(勃萊法和萊因法)、直線展開法、加權(quán)直線法、柯斯拉獨立變數(shù)法、巴甫洛夫斯基分段法、丘加也夫阻力系數(shù)法、改進阻力系數(shù)法、流網(wǎng)法等。各種滲流計算方法的特點及適用范圍如下：

（1）直線比例法(勃萊法和萊因法)，假定滲透水壓力沿地下輪廊線的水頭損失是均勻的，計算精度較差，特別是對于滲流進、出口段，不宜采用。

（2）直線展開法或加權(quán)直線法適用于地基條件不復(fù)雜、且閘基防滲布置比較簡單的中小型水閘。

（3）柯斯拉獨立變數(shù)法和巴甫洛夫斯基分段法計算精度雖較高，但計算很麻煩，較少采用。

（4）丘加也夫阻力系數(shù)法計算相對比較方便，計算精度比較高，早期采用較多。

（5）流網(wǎng)法，是流體力學(xué)法的一種圖解法，流網(wǎng)由流線和等勢線組成，相互正交。用流網(wǎng)法可以適用于各種情況，是工程中解決滲透問題的簡單而有效的方法，一般也能得到較好的計算精度，適用于均質(zhì)和非均質(zhì)地基，不同的地下輪廓布置。

（6）數(shù)值計算法求解，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜的計算問題均可由計算機完成，對復(fù)雜土層地基上重要的水閘，應(yīng)采用（如按拉普拉斯方程進行編程計算）數(shù)值計算法求解。

（7）改進阻力系數(shù)法，是由南京水利科學(xué)研究院在研究獨立函數(shù)法、分段法和阻力系數(shù)法等方法的基礎(chǔ)上改進提出的一種精度較高的近似計算方法，但不能解決非均質(zhì)地基滲流問題。它將地下滲流通道沿程分作若干典型滲流段，根據(jù)滲流的連續(xù)性條件，首先計算出總的水頭損失，然后計算各段的滲透水頭損失和其他滲透要素。

目前，《水閘設(shè)計規(guī)范》推薦的滲流分析方法：巖基上水閘可采用全截面直線分布法，土基上水閘可采用改進阻力系數(shù)法或流網(wǎng)法，復(fù)雜土質(zhì)地基上的重要水閘應(yīng)采用數(shù)值計算法。實際設(shè)計工作中是根據(jù)設(shè)計深度要求采用滲流分析方法：直線比例法主要用于工程規(guī)劃和可行性研究階段初擬閘基防滲長度，初步設(shè)計和施工圖階段采用改進阻力系數(shù)法校驗，對復(fù)雜土質(zhì)地基或重要水閘應(yīng)采用數(shù)值計算法校驗。

三、防滲排水設(shè)施

閘基防滲布置采用防滲和排水相結(jié)合。防滲措施多布置在水閘上游一側(cè)，用以延長滲徑，布置需兼顧側(cè)向繞滲；排水措施多布置在下游一側(cè)滲流出口處，將滲流順利排到下游。

1.防滲設(shè)施

防滲措施有鋪蓋、防滲墻和齒墻等。軟基上水閘防滲設(shè)施有水平和垂直防滲設(shè)施兩種，水平防滲措施一般布置在閘室上游水平防滲通常采用粘土鋪蓋或混凝土鋪蓋，一般布置在閘室上游，與閘室底板聯(lián)合組成不透水的地下輪廓線，并在鋪蓋上游端和閘室下游布置一定深度的齒墻。垂直防滲通常采用灌漿、混凝土墻（抓斗成槽混凝土截滲墻、水泥土攪拌樁截滲墻、振動沉?；炷两貪B墻、高壓噴射水泥漿截滲墻等）、板樁等措施，防滲效果較好，但施工相對復(fù)雜。砂性土地基應(yīng)以垂直防滲為主，巖基上水閘防滲設(shè)施通常采用垂直帷幕灌漿。

2.排水反濾設(shè)施

排水設(shè)施有水平排水和垂直排水兩種型式。水平排水位于閘基表層，比較淺且要有一定范圍。垂直排水由一排或數(shù)排濾水井組成，主要是排除深層承壓水。水閘防滲排水布置應(yīng)根據(jù)閘基地質(zhì)條件和上、下游水位差等因素，結(jié)合閘室、消能防沖和兩岸連接布置綜合分析確定。

排水體由透水性較強的大顆粒砂石料組成。土基水閘多采用平鋪式排水體，為防止發(fā)生滲透變形，平鋪式排水體在滲流進入處，應(yīng)設(shè)反濾層。排水設(shè)施的上面是混凝土護坦時，應(yīng)在護坦后面留排水孔。巖基上建閘，通常在護坦接縫和排水孔的下面，鋪筑溝狀排水體，縱橫呈網(wǎng)格狀排列。

反濾層是用2～3層粒徑不同、經(jīng)過選擇的砂石料鋪成，遇到粉土地基，甚至需鋪4層。土工織物透水材料可起到排水過濾作用，在大規(guī)模施工或厚度受到限制時，土工織物取代粒狀濾層是適宜的，設(shè)計要求同粒狀濾層。

3.分縫止水

水閘需設(shè)縫以防止結(jié)構(gòu)物因地基不均勻沉降和溫度變形而產(chǎn)生裂縫，縫的間距約為10～30m，縫寬約2.0～2.5cm，使相鄰結(jié)構(gòu)物的沉降互不影響。有抗震要求時，縫寬將更大。凡有防滲要求的伸縮縫和沉降縫，均應(yīng)設(shè)止水結(jié)構(gòu)，止水分鉛直和水平。止水材料和型式應(yīng)滿足防滲性能好、柔性大、適應(yīng)變形能力強、不易銹蝕斷裂等特點，常用材料有紫銅片、膠皮止水帶和塑料止水帶等。

4.連接建筑物布置

與土堤銜接的水閘，既要考慮沿底板的垂直截滲措施，還應(yīng)考慮繞側(cè)邊墻面的水平方向防滲措施，是三向空間滲流問題。防滲設(shè)計需分析沿邊墻滲流的水面高程及其壓力、側(cè)邊繞滲對建筑物基底的揚壓力影響和沿邊墻底板的接觸土面的滲透坡降會否超過臨界值發(fā)生管涌破壞。

繞滲水流會使得防滲墻或帷幕等防滲措施對于砂基的截滲效果大減，做好下游排滲布局是減輕繞滲危害的重要措施，既可減小建筑物基底的揚壓力和出滲坡降，也可降低下游側(cè)岸邊墻翼墻繞滲的地下水面，從而減輕側(cè)岸陡坡滑塌的威脅。排水井是減輕繞滲水頭的最簡單措施，在翼墻外側(cè)布置2～3個井通至下游尾水，可消除底板下等勢線向下游彎曲的側(cè)岸繞滲影響，使基底揚壓力減小總水頭的10%左右，出滲坡降減小約30%；同時，墻外填土的孔隙水壓力也可基本消失，此種有濾層的排水井尚可結(jié)合作為繞滲水位觀測井。

四、結(jié)語

如何使工程設(shè)計做到安全、經(jīng)濟與合理，始終是擺在設(shè)計人員和建設(shè)人員面前的一項重要的任務(wù)。在一些重大的水利工程建設(shè)中，有很多成功的工程建設(shè)、施工經(jīng)驗，對水利工程來說，滲流問題是關(guān)鍵，滲流安全成為工程設(shè)計、施工以及工程安全運行的重要因素，也是評價工程社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益的重要內(nèi)容。理解與運用水閘防滲體系設(shè)計中的滲流計算方法、防滲排水設(shè)施布置和地基防滲處理手段等問題，在水閘等水工建筑物建設(shè)中具有十分重要的實際意義