粉細(xì)砂河床上的泄水閘設(shè)計(jì)

郭紅亮馬　瑞肖　艷

粉細(xì)砂河床上的泄水閘設(shè)計(jì)

郭紅亮1馬瑞2肖艷2

一、泄水閘基本情況

平原地區(qū)某干流上大型泄水閘的建筑物級(jí)別為1級(jí)，最大下泄流量約15000m3/s，擋水最大水頭差7.15m。泄水閘共56孔，單孔凈寬14 m，過(guò)流總寬784m，前緣總寬953m。閘室采用兩孔一聯(lián)整體式結(jié)構(gòu)，閘段寬34m。閘底板高程29.5m，厚度2.5m，順流向長(zhǎng)度25m，建基面高程27m。閘墩頂部高程44.7m。

泄水閘采用底流消能方式，消力池長(zhǎng) 29m，池深 0.5m，池底高程27.5m，尾部設(shè)消力檻，檻頂高程28.5m。消力池后接海漫、拋石防沖槽等設(shè)施。

二、粉細(xì)砂閘基的主要問(wèn)題

閘基上層為粉細(xì)砂層，局部含泥或夾有淤泥質(zhì)透鏡體，平均厚度約25m；下層為砂礫石層，平均厚度30m。基巖埋深約55m。粉細(xì)砂結(jié)構(gòu)松散，平均標(biāo)貫擊數(shù)為8擊，孔隙比e一般在0.75～0.9之間，承載能力特征值為120kPa，內(nèi)摩擦角26°。粉細(xì)砂閘基的主要問(wèn)題為：

1.飽和砂土液化問(wèn)題

工程區(qū)地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度。飽和粉細(xì)砂粘粒含量為6.3%～7.8%，采用多種判據(jù)綜合判斷，在地震條件下存在液化可能，液化深度主要在建基面以下12m以內(nèi)。

2.防沖和滲透穩(wěn)定問(wèn)題

粉細(xì)砂中值粒徑0.09～0.18mm，抗沖流速?。ㄋ?m時(shí)其值為0.20～0.25m/s），泄水閘最大過(guò)閘單寬流量超過(guò)20m2/s，下游防沖問(wèn)題突出。粉細(xì)砂允許滲流坡降為0.20～0.30，滲控要求高。

3.地基沉降量大

粉細(xì)砂層厚度大，結(jié)構(gòu)松散，壓縮模量?。?3MPa），水閘沉降不滿足對(duì)沉降量控制不超過(guò)15cm的要求。

三、泄水閘地基處理

地基處理的目的是控制沉降量和消除飽和砂土液化潛勢(shì)。比較強(qiáng)夯法、振沖法和水泥土攪拌樁法后，初步選擇采用攪拌樁法處理泄水閘地基。

水泥土攪拌樁適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、粘性土及無(wú)地下水流動(dòng)的飽和松散砂土等地基。水泥土加固體可布置成各種形狀，形成的復(fù)合地基能大幅度提高地基壓縮模量，顯著減小地基沉降。格柵式攪拌樁可以約束地震時(shí)地基的剪切變形，提高地基抗液化能力。

但用于該工程需解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是該法大多數(shù)是處理粘性軟土，摩阻力較小，大面積用于處理摩阻力大的砂層的適用性和工效問(wèn)題需解決；二是基坑中地下水位呈現(xiàn)漏斗形態(tài)，最大水力梯度約0.06，在有流動(dòng)地下水的地基中能否保證成樁質(zhì)量。通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，證明攪拌樁適用于該工程，有流動(dòng)地下水的條件下通過(guò)適當(dāng)增加摻灰量能保證成樁質(zhì)量。

試驗(yàn)后樁徑選用600mm，樁長(zhǎng)根據(jù)抗液化深度要求確定為12m，用沉降量控制要求進(jìn)行校核，要求樁體28d抗壓強(qiáng)度值不小于2.5MPa。

抗液化采取格柵式布置（樁間搭接150mm），格柵間距約為樁長(zhǎng)的一半。格柵布置還兼顧閘室底板受力特點(diǎn)，與兩孔一聯(lián)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，分塊尺寸為25m× 34m（順?biāo)飨颉翙M流向），每個(gè)分塊內(nèi)順?biāo)飨虿贾梦迮艠叮砰g距分別約5～6m；橫流向布置6排樁，中墩下布置2排，邊墩下布置1排，閘孔中間部位布置1排，排間距分別為7.65m。此布置有利于減小底板中部的負(fù)彎矩。格柵內(nèi)還布置4根單樁調(diào)整地基的均勻性。攪拌樁置換率約20%，樁總長(zhǎng)約28萬(wàn)m。

施工前進(jìn)行了室內(nèi)配合比試驗(yàn)和生產(chǎn)性試驗(yàn)，確定水泥摻量為18%（標(biāo)號(hào)為P.O42.5），水灰比1∶1，漿液密度1.51g/cm3，施工工藝為兩沉兩升，下沉和提升最大速度不超過(guò)0.67m/s，首次下沉和提升噴漿量為總量的60%，第二次循環(huán)為總量的40%，水泥漿壓力不小于0.5MPa。

生產(chǎn)性試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，粉細(xì)砂地基遇漿時(shí)自密性較強(qiáng)，容易產(chǎn)生板結(jié)，攪拌樁機(jī)在提升時(shí)阻力較大，一般鏈條式深攪機(jī)由于功率偏小、傳動(dòng)軸及連接八爪材質(zhì)強(qiáng)度不足、提升能力有限而不能滿足在粉細(xì)砂中施工，因此對(duì)設(shè)備要加以選擇。泄水閘施工中選用了SPM-5Ⅲ型深攪機(jī)，對(duì)深攪設(shè)備鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，由平面攪拌葉片改進(jìn)成30°左右的傾斜葉片，并加焊了攪拌葉片，以減少在粉細(xì)砂層中的阻力。

四、泄水閘下游防沖

粉細(xì)砂粒徑小、無(wú)粘性、抗沖能力低，水下休止角小，一旦出現(xiàn)沖刷則深度大、發(fā)展過(guò)程快、擴(kuò)散范圍大，溯源沖刷直接危及泄水閘安全，補(bǔ)救難度大。為確保工程安全，泄水閘采取柔性海漫水平防沖與地下連續(xù)墻垂直防淘相結(jié)合的防沖措施。

泄流經(jīng)過(guò)底流消能后，出消力池水流紊動(dòng)仍較劇烈，底部流速大，還必須設(shè)置海漫進(jìn)一步消減剩余能量，調(diào)整流速分布，使水流接近天然流態(tài)，減輕對(duì)下游河床的沖刷。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)確定海漫長(zhǎng)度為70m。按抗沖要求、作用不同將海漫分為剛性和柔性兩部分，海漫前20m為剛性海漫，采用的是50cm厚的常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；后50m為柔性海漫。

柔性海漫起始斷面高程28m，與末端防沖槽相接處高程25.5m，布置上向下游傾斜，坡度1∶20，以逐步增加水深，緩減流速，進(jìn)一步消能同時(shí)調(diào)整流速分布。這部分海漫應(yīng)具有一定柔性、透水性和表面粗糙性。常用海漫型式如堆石、干砌石、格賓海漫等為散粒體，沒(méi)有整體性，出現(xiàn)局部損壞時(shí)流態(tài)惡化易向周邊擴(kuò)大，施工質(zhì)量保證難度大。為此設(shè)計(jì)了嵌套式混凝土柔性海漫。從粉細(xì)砂河床表面自下而上，柔性海漫構(gòu)造依次為土工布（400g/m2）、碎石墊層（厚度20cm，粒徑2～4cm）、土工網(wǎng)（CE121）和嵌套混凝土塊體。拼裝后面積開孔率為26%。塊體厚度為25cm，單塊重量約79kg。塊體強(qiáng)度等級(jí)為C20，采用干硬性混凝土擠壓成型。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，其整體性優(yōu)良，抗沖能力強(qiáng)。

柔性海漫抗沖能力強(qiáng)的前提為土工布、碎石墊層施工不出現(xiàn)缺陷，為確保出現(xiàn)局部損壞也不危及泄水閘主體的安全，阻止溯源沖刷，在海漫下游端齒槽下設(shè)置垂直防淘墻，墻體采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，混凝土強(qiáng)度為C30，墻頂與海漫通過(guò)鋼筋連接。

垂直防淘墻設(shè)計(jì)防護(hù)深度依據(jù)模型試驗(yàn)成果概化確定。模型試驗(yàn)中未考慮土工布和碎石墊層所起隔離作用，模擬出現(xiàn)的施工缺陷。根據(jù)試驗(yàn)成果，柔性海漫出現(xiàn)整體性塌陷，中部最大塌陷深度為16.2m，剛性海漫與柔性海漫相接處塌陷深度為5.8m。概化取最大塌陷深度的一半即8.1m作為防淘墻的設(shè)計(jì)防護(hù)深度。

地下連續(xù)墻與剛性海漫的連接按鉸接處理。按墻后沖刷達(dá)到設(shè)計(jì)防護(hù)深度后墻身能滿足嵌固穩(wěn)定要求，確定深度為12m，墻底高程為15m。墻厚及結(jié)構(gòu)配筋按墻頂鉸接的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，墻厚60cm，墻體上下游兩側(cè)單寬分別布置5根直徑18mm和22mm的鋼筋。

五、泄水閘滲控及反濾保護(hù)

1.滲控設(shè)計(jì)

泄水閘采用攪拌樁處理地基，攪拌樁滲透系數(shù)可以達(dá)到i×10-6cm/s，但考慮垂直度控制誤差，格柵下部搭接厚度保證較難，因此不計(jì)其對(duì)粉細(xì)砂滲透性的影響。

滲控設(shè)計(jì)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用塑性混凝土防滲墻垂直防滲為主、鋼筋混凝土水平鋪蓋防滲為輔的防滲型式。水平鋪蓋長(zhǎng)30m，厚50cm，底板與閘室平齊，兼起防沖作用。鋪蓋順流向設(shè)有一道分縫，橫流向分縫位置對(duì)應(yīng)于閘孔正中，分縫長(zhǎng)度17m，所有分縫處都設(shè)有銅止水。防滲墻設(shè)于閘室前端齒槽下，墻底高程10m，厚40cm，墻頂伸入齒槽內(nèi)30cm，墻頂與齒槽間設(shè)有止水和瀝青柔性接頭。防滲墻技術(shù)指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度R28≥3MPa，彈性模量E28＜2500MPa，滲透系數(shù)K＜i×10-7cm/s，允許破壞比降［J］＞50。

2.反濾設(shè)計(jì)

粉細(xì)砂作為最容易發(fā)生滲透變形的土體，反濾設(shè)計(jì)尤為重要。反濾層設(shè)在滲流出口段的消力池、剛性混凝土海漫下面，總厚度65～75cm，從下到上分為三層：最下為粗砂層，厚30cm，對(duì)粉細(xì)砂進(jìn)行反濾保護(hù)，是反濾層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵層；往上是粒徑1～2cm瓜米石，厚20cm；最后是粒徑2～4cm碎石層，厚15～25cm。

為確保粗砂對(duì)粉細(xì)砂起到良好反濾保護(hù)作用，在消力池和海漫等滲流出口段部位對(duì)表層粉細(xì)砂現(xiàn)場(chǎng)取樣18點(diǎn)，在粗砂來(lái)源河段取樣4處12點(diǎn)，進(jìn)行顆分和室內(nèi)反濾試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，天然粗砂對(duì)粉細(xì)砂能起到一定反濾保護(hù)作用，但效果還不夠理想，篩除小于0.5mm以下顆粒后，反濾保護(hù)作用優(yōu)良。根據(jù)試驗(yàn)成果，要求對(duì)粗砂進(jìn)行沖洗篩分，控制小于0.5mm以下顆粒含量不超過(guò)2.5%。沖洗篩分宜結(jié)合采砂工作進(jìn)行。瓜米石顆粒級(jí)配包絡(luò)曲線根據(jù)太沙基反濾準(zhǔn)則計(jì)算確定。

六、結(jié)語(yǔ)

該大型泄水閘主要特點(diǎn)是河床粉細(xì)砂層深厚，厚度大結(jié)構(gòu)松散，壓縮模量低，地基沉降量大；粉細(xì)砂粒徑小，抗沖能力低，易滲透變形；粉細(xì)砂還存在飽和砂土液化問(wèn)題。地基處理、下游防沖保護(hù)、滲控和反濾保護(hù)是泄水閘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將攪拌樁用于大范圍處理粉細(xì)砂地基取得成功。下游防沖保護(hù)為柔性海漫水平防沖與地下連續(xù)墻垂直防淘相結(jié)合，整體性好，具有安全冗余。以篩選的天然粗砂作為反濾料，反濾保護(hù)作用優(yōu)良。泄水閘投入運(yùn)用以來(lái)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明運(yùn)用情況良好■

（作者單位：1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司4300102.淮委治淮工程建設(shè)管理局233001）

（專欄編輯：顧梅）