土基水閘滲流穩(wěn)定分析與防滲措施探討

安普太

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原030024）

土基水閘滲流穩(wěn)定分析與防滲措施探討

安普太

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原030024）

本文闡述了土基水閘滲流計算的各種方法，通過實例介紹了閘基滲流穩(wěn)定計算和水閘繞滲計算過程，提出了解決閘基滲流和水閘繞滲的防滲措施，以及有關(guān)設(shè)計思路。

土基；水閘；滲流穩(wěn)定

引 言

建在土基上的水閘，在滲透水流的作用下，容易產(chǎn)生滲流變形，特別是粉、細砂地基，在閘后易出現(xiàn)翻砂冒水現(xiàn)象，嚴重時閘基和兩岸會被掏空，引起水閘沉降、傾斜、斷裂甚至倒塌。所以，在設(shè)計時需做好防滲排水設(shè)計，在水閘上游布置防滲鋪蓋、垂直防滲等防滲設(shè)施，特別是上游兩岸連接建筑物及其與鋪蓋的連接部分，要在空間上形成防滲整體。

水閘滲流計算，主要在于求解滲流區(qū)域內(nèi)的滲流壓力、滲流坡降、滲流流速及滲流量等。在水閘設(shè)計中，通常根據(jù)水閘兩側(cè)的填土情況，除了閘基滲流穩(wěn)定計算外，還需對水閘側(cè)向繞滲進行計算。

常見的滲流理論計算方法有直線比例法（又稱滲徑系數(shù)法）、直線展開法、改進阻力系數(shù)法、流網(wǎng)法等。直線比例法計算精度較差，不宜采用；直線展開法只適用于地基條件不復(fù)雜且閘基防滲布置比較簡單的中、小型水閘工程；改進阻力系數(shù)法是由我國南科院研究人員在研究阻力系數(shù)法的基礎(chǔ)上提出來的，既擴大了計算范圍，又提高了計算精度，是目前普遍采用的一種較精確的計算方法；流網(wǎng)法也是采用較多的一種方法，但是需要按規(guī)定的原則編制流網(wǎng)，較為復(fù)雜。下面介紹采用改進阻力系數(shù)法進行水閘滲流穩(wěn)定計算。

1 閘基滲流穩(wěn)定計算

某均質(zhì)土壩中部布置泄水沖沙閘，地基土為較厚的低液限粘土。校核洪水位為416.81m，閘底高程為403.00m，進口圓弧段長18.2m，底板厚0.8m；上游鋪蓋段長15m，厚0.8m；閘室段長27m，底板厚2.0m；后接下游連接段和下挖式消力池以及海曼段。計算簡圖如圖1。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）中附錄C.2改進阻力系數(shù)法相關(guān)公式進行計算。計算的步驟為:（1）確定水閘地基有效深度；（2）對進出口段、內(nèi)部垂直段、內(nèi)部水平段分別計算各分段阻力系數(shù)；（3）各分段水頭損失；（4）進出口水頭損失修正；（5）出逸坡降計算。計算成果見表1。

閘底板水平段滲透坡降和滲流出口處坡降的計算:

（1）滲流出口處平均坡降計算為:

（2）底板水平段平均滲透坡降為:

查地質(zhì)報告可知，本工程的閘室地基為低液限粘土，滲透允許坡降為0.53，計算值均不小于此值，滿足要求。

從計算成果表可知，進口水平段和鋪蓋水平段阻力系數(shù)分別為0.58和0.39，均超過總阻力系數(shù)的10%以上，所占比重較大，所以在粘土地基的水閘中，由于板樁防滲墻的透水性與粘性土的透水性相差不大，多用防滲鋪蓋來增加防滲長度更為合理。此外，內(nèi)部垂直段和內(nèi)部水平段的阻力系數(shù)相比，垂直段的阻力系數(shù)大于水平段的系數(shù)數(shù)倍，所以在水閘閘基內(nèi)部分段中，垂直防滲的效果更為顯著。但是具體選用何種防滲方式，在實際設(shè)計過程，還需結(jié)合水閘的整體布置確定，采用延長上游鋪蓋段不夠經(jīng)濟時，可采用適當(dāng)增加底板齒墻深度的方法來處理。

圖1 閘基滲流計算簡圖

表1 水閘閘基滲流計算成果

2 閘室側(cè)向滲流穩(wěn)定計算

當(dāng)水閘建成擋水后，除閘基滲流外，滲水還從上游高水位經(jīng)閘的兩側(cè)填土層流向下游，即側(cè)向繞滲。在閘壩式擋水建筑物中，尤其兩側(cè)均為均質(zhì)土壩時，側(cè)向繞滲問題尤為重要。側(cè)向繞滲對邊墩、上下游翼墻施加側(cè)向水平壓力，在填土與岸翼墻接觸面上和滲流出口處都可能會產(chǎn)生滲透變形。所以，閘室側(cè)向滲流穩(wěn)定計算非常必要，也非常重要。

《水閘設(shè)計規(guī)范》中第6.0.3條規(guī)定:當(dāng)岸墻、翼墻墻后土層的滲透系數(shù)小于或等于地基土的滲透系數(shù)時，側(cè)向滲透壓力可近似地采用相對應(yīng)部位的水閘閘底正向滲透壓力計算值。本實例中，水閘兩側(cè)均為壩體，滲透系數(shù)小于地基土，墻后的側(cè)向繞滲屬于有壓滲流［1］?！端ぴO(shè)計手冊》（第二版）第7卷泄水與過壩建筑物分冊以及《取水輸水建筑物叢書》水閘分冊中水閘側(cè)岸繞滲計算方法均相同，引入了化引水頭hr，則繞滲水流在計算處的水深h為［3-4］:

式中:h1、h2—上、下游邊界處水深，m；hr—化引水頭，m。

應(yīng)用改進阻力系數(shù)法也可求出hr，因其中△H=h1-h2，hi為計算點i處至滲流出口處的水頭差，（∑ξ）0～i為滲流出口處至i點之間各段阻力系數(shù)之和，∑ξ為岸、翼墻背面全部阻力系數(shù)之和。將hri及上、下游水深代入上式，即可算出i點的滲流水深。

為增加側(cè)向滲徑，除了考慮水閘的上、下游翼墻的作用外，還可在邊墻或岸墻后面設(shè)置一道或數(shù)道防滲刺墻，在閘室邊墩后共設(shè)置了3道刺墻。計算簡圖如圖2，計算成果見表2。

閘室側(cè)向繞滲出口處坡降:

本工程的閘室兩側(cè)為均質(zhì)土壩，根據(jù)地質(zhì)資料，壩體材料的滲透允許坡降為0.49，計算值均不大于此值，滿足要求。

《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》第7.2.3條規(guī)定，壩體與混凝土建筑物采用側(cè)墻式連接時，土質(zhì)防滲體與混凝土面結(jié)合的坡度不宜陡于1∶0.25［2］。所以，為了保證壩體施工質(zhì)量，與土壩接觸的閘室邊墩的外邊坡不宜陡于規(guī)范值。此外，為保證水閘兩側(cè)的壩體（填土）滲流穩(wěn)定，采取增加側(cè)向滲徑的辦法，設(shè)置了刺墻。

刺墻在平面圖上一般垂直于水閘軸向（或平行于壩軸線）設(shè)置，刺墻的高度應(yīng)高出繞滲自由水面，刺墻底板高程一般與閘底板齊平，刺墻厚度根據(jù)防滲要求及受力大小而定。刺墻長度一般可達上、下游水位差的1～3倍，在具體設(shè)計時，還需進行試算確定刺墻的道數(shù)和長度。

圖2 繞滲計算簡圖

表2 水閘側(cè)向繞滲計算成果表

3 結(jié)論

從以上對土基閘基滲流計算和水閘側(cè)向繞滲計算結(jié)果以及采取的相應(yīng)防治措施中可以得出以下結(jié)論:

（1）土基上的閘室以及土層相對簡單的水閘采用阻力系數(shù)法基本能滿足工程設(shè)計需要。

（2）從閘基滲流穩(wěn)定計算可知，在粘土地基中，采用防滲鋪蓋來增加滲徑更為經(jīng)濟合理。

（3）在防滲措施中，垂直防滲比水平防滲效果更為顯著，應(yīng)優(yōu)先考慮板樁或齒墻。

（4）為保證水閘兩側(cè)土壩的滲透穩(wěn)定，設(shè)置刺墻對于增加側(cè)向滲徑的措施效果明顯。在初步擬定刺墻長度和間距時，應(yīng)保證刺墻間距不小于相鄰兩道刺墻總長的0.7倍，如果不滿足出逸比降，則需要增加刺墻道數(shù)。

［1］SL265-2001.水閘設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］SL274-2001.碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］水利部水規(guī)總院.水工設(shè)計手冊（第二版）第7卷泄水與過壩建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，2014:546.

［4］陳寶華，張世儒.取水輸水建筑物叢書-水閘分冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2003:106～112，154～157.

TV223

A

1672-2469（2015）10-0077-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.24

安普太（1983年—），男，工程師。