基于砂卵礫石閘基允許滲流坡降值取值的探討

張豐良

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000)

1 砂卵礫石閘基允許滲流坡降值的計(jì)算

1.1 允許滲流坡降值的計(jì)算方法

水閘砂卵礫石閘基滲流出口處沿底板與地基土的接觸面通常易發(fā)生滲透變形，進(jìn)行閘基防滲布置時(shí)必須保證滲流出口段和沿閘基底板底面水平段的滲流坡降不得超過(guò)其允許值，而滲流坡降允許值可根據(jù)各種土沿著不同滲流方向出現(xiàn)滲流破壞的臨界坡降來(lái)確定，此臨界坡降則可采用近似計(jì)算法計(jì)算求得［1］。

1)根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487—2008 附錄G 土的滲透變形判別的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行臨界水力比降及允許水力比降的確定。

如果閘基土為砂卵礫石無(wú)黏性土，其滲透破壞形式為管涌，臨界水力比降Jcr 值計(jì)算公式為:

式中:Jcr為臨界水力比降;GS為土的顆粒密度與水的密度之比;n 為土的孔隙率，%;d5為占總土重的5%的土粒粒徑，mm;d20為占總土重的20%的土粒粒徑，mm。

按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)附錄G 第0.7 規(guī)定可采用下述公式計(jì)算:

式中:m 為安全系數(shù)，取1.5 ～2。

2)根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265—2001 中6.0.5滲透變形判別的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行允許水力比降的確定。

如果閘基土為砂卵礫石無(wú)黏性土，其滲透破壞形式為管涌的允許滲流坡降計(jì)算公式為:

式中:［J］為防止管涌破壞的允許滲流坡降值;n 為土的孔隙率，%;d5為占總土重的5%的土粒粒徑，mm;K為防止管涌破壞的安全系數(shù)，可采用1.5 ～2.0;df為閘基土的粗細(xì)顆粒分界粒徑;Pf為小于df的土粒粒徑的百分含量，%，(Pf值為計(jì)算出df值查該地基土試驗(yàn)顆分曲線圖上對(duì)應(yīng)的細(xì)顆粒粒徑的百分含量)。

從以上2 種計(jì)算公式可以看出，在地質(zhì)條件相同的情況下由于所采用的參數(shù)不同，計(jì)算值肯定存在差別，而且采用以上公式首先得確定其破壞形式為管涌。

1.2 砂卵礫石閘基滲透破壞形式的判別

滲透變形破壞形式一般可分為流土、管涌、接觸沖刷和接觸流土等。產(chǎn)生滲透變形的因素，主要是土的性質(zhì)以及水的條件，研究滲透變形的目的，在于確定土體能夠承受的滲流坡降?？傮w來(lái)講，黏性土地基只可能出現(xiàn)流土，不會(huì)發(fā)生管涌，非黏性土即可能出現(xiàn)管涌，也可能出現(xiàn)流土。水閘地基若為砂卵礫石無(wú)黏性地基時(shí)，應(yīng)首先判斷可能發(fā)生的滲流破壞形式是流土破壞還是管涌破壞，然后計(jì)算允許滲流坡降值。

依以上兩種計(jì)算公式對(duì)應(yīng)的閘基土為砂卵礫石無(wú)黏性土來(lái)分別論述滲透破壞形式判別的方法。

1)根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487—2008 附錄G 土的滲透變形判別的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行，若閘基以砂卵礫石無(wú)黏性土，其滲透變形破壞形式的判別方法。

首先確定細(xì)顆粒的含量:

級(jí)配不連續(xù)的土:級(jí)配曲線中至少有一個(gè)以上的粒徑級(jí)的顆粒含量≤3%的平緩段，粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑df以平緩段粒徑級(jí)的最大和最小粒徑的平均粒徑區(qū)分，或以最小粒徑為區(qū)分粒徑。

級(jí)配連續(xù)的土:粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑為:

式中:df為粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑，mm;d70為小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm;d10為小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

其次依據(jù)df值查該地基土顆分曲線圖上對(duì)應(yīng)的細(xì)顆粒粒徑的百分含量(Pf)，同時(shí)依據(jù)該地基土若為不均勻系數(shù)＜5 的土可判為流土;若為不均勻系數(shù)＞5 的土，采用以下方法判別:①Pf≥35%，為流土破壞;②25%≤Pf＜35%，為過(guò)渡性破壞;③Pf＜25%，為管涌破壞。

其中:Pf為土的細(xì)顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)，%。

2)根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265—2001 中6.0.5滲透變形判別的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行，若閘基以砂卵礫石無(wú)黏性土，其滲透變形破壞形式的判別方法。

首先閘基土的粗細(xì)顆粒分界粒徑:

式中:df為閘基土的粗細(xì)顆粒分界粒徑;d15、d85為閘基土顆粒級(jí)配曲線上＜含量15%、85%的粒徑，mm;其次依據(jù)df值查該地基土顆分曲線圖上對(duì)應(yīng)的細(xì)顆粒粒徑的百分含量(Pf)及閘基土的孔隙率來(lái)判別破壞形式:當(dāng)4Pf(1 － n)＞1.0 時(shí)，為流土破壞;當(dāng)4Pf(1 － n)＜1.0 時(shí)，為管涌破壞;n 為閘基土的孔隙率;Pf為＜df的土粒百分含量，%。

2 砂卵礫石閘基允許滲流坡降值取值的探討

2.1 工程概況

紅山嘴水閘除險(xiǎn)加固工程是一個(gè)以灌溉為主的引水樞紐，控制灌溉面積約21.09萬(wàn)hm2，該工程等別屬Ⅱ等大(2)型工程，其主要建筑物級(jí)別為2 級(jí)，主要建筑物由進(jìn)水閘、沖沙閘、泄洪閘等建筑物組成。工程地質(zhì)條件:考慮設(shè)計(jì)期間水閘必須運(yùn)行，地勘取樣在閘前及周圍，進(jìn)水閘及沖沙閘地基巖性為青灰色砂卵礫石及泥巖，砂卵礫石厚度4.5 ～5.0 m，孔隙率33.6%，比重2.7，泥巖強(qiáng)風(fēng)化層厚0.5 ～1.2 m，弱風(fēng)化層厚1.6 ～3.1 m。泄洪閘基礎(chǔ)地基巖性為砂卵礫石及泥巖，砂卵礫石厚度2.4 ～5.3 m，孔隙率33.6%，比重2.7，泥巖強(qiáng)風(fēng)化層厚0.5 ～1.2 m，弱風(fēng)化層厚1.6 ～3.1 m，進(jìn)水閘及沖沙閘閘基土顆分曲線圖見(jiàn)圖1，泄洪閘閘基土顆分曲線圖見(jiàn)圖2。

圖1 進(jìn)水閘及沖沙閘閘基土顆分曲線圖

圖2 泄洪閘閘基土顆分曲線圖

根據(jù)實(shí)例工程地質(zhì)條件及地質(zhì)試驗(yàn)資料，分別進(jìn)行砂卵礫石滲透破壞形式判別及閘基允許滲流坡降值的計(jì)算取值分析。

2.2 閘基滲透變形形式的判別

通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐分別采用地質(zhì)方法與水閘規(guī)范中的方法判別滲透破壞形式，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 閘基滲透變形破壞形式判別

計(jì)算結(jié)果表明，兩種方法雖采用的粗細(xì)顆粒分界粒徑確定方法不同，值也不同，但根據(jù)不同的判別公式確定的結(jié)果基本一致，說(shuō)明兩種方法都是可行的。

2.3 閘基允許水力比降計(jì)算

通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐分別采用地質(zhì)規(guī)范與水閘規(guī)范中砂卵礫石閘基允許滲流坡降值計(jì)算方法，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 閘基滲透變形允許滲流坡降值

計(jì)算結(jié)果表明，兩種方法采用的計(jì)算公式不同，計(jì)算值比較接近，根據(jù)其他已建工程地質(zhì)條件類似的的允許滲流坡降值取值，本實(shí)例工程的計(jì)算值相對(duì)偏小。地質(zhì)專業(yè)根據(jù)地質(zhì)規(guī)范計(jì)算的上表中允許滲流坡降值偏小，考慮到地質(zhì)資料不一定具有代表性的因素，因此給設(shè)計(jì)提供了根據(jù)規(guī)范上發(fā)生管涌允許滲流坡降值的建議值(即無(wú)資料時(shí)規(guī)范提出的最小值)，未采用計(jì)算的偏小值。若設(shè)計(jì)初期采用上表中水閘規(guī)范計(jì)算的值，那么所采取的防止?jié)B透變形措施工程投資將增大很多，必須采取相應(yīng)措施:①布置防滲輪廓線，在滲流出口處打短板樁，或設(shè)置較深的齒墻;②在護(hù)坦或海漫的下面，滲流出口處布置濾層，增加地基的抗?jié)B穩(wěn)定性。

因此本實(shí)例首先采用了地質(zhì)依據(jù)規(guī)范提供的建議值進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮了因加固前未出現(xiàn)過(guò)滲透破壞，并依據(jù)該工程安全鑒定結(jié)論加固前閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性滿足要求，而且本次設(shè)計(jì)閘基防滲長(zhǎng)度比加固前長(zhǎng);在施工開挖后因該工程閘室基礎(chǔ)處實(shí)際砂卵礫石厚度為0.1 ～0.8 m，最終將砂卵礫石層全部清除到基巖面，并優(yōu)化了閘基防滲長(zhǎng)度，節(jié)省了工程投資。

3 結(jié) 語(yǔ)

在除險(xiǎn)加固水閘設(shè)計(jì)中，允許滲流坡降值的采用，對(duì)水閘的工程造價(jià)關(guān)系極大，通過(guò)對(duì)紅山嘴水閘除險(xiǎn)加固實(shí)例計(jì)算所得的允許滲流坡降值偏小來(lái)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，總結(jié)如下:①首先采用地質(zhì)依據(jù)規(guī)范提供的建議值作為初期設(shè)計(jì)值;②同時(shí)考慮加固前是否出現(xiàn)過(guò)滲透破壞這個(gè)因素;③在施工開挖后依據(jù)實(shí)際地基地質(zhì)資料進(jìn)行進(jìn)一步的復(fù)核優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)允許滲流坡降值的采用還應(yīng)結(jié)合水閘的功能特點(diǎn)、運(yùn)用要求及其它具體情況也應(yīng)綜合考慮，選取采用合適的允許滲流坡降值，以此縮減閘室總長(zhǎng)，降低工程投資。

［1］陳寶華，張世儒. 水閘［M］. 北京:中國(guó)水利水電出版社，2003:23 －30.