復(fù)雜地基水閘滲流計(jì)算與防滲措施探討

魏文強(qiáng)，程 博，李炳華

(1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

中國(guó)有超過8萬座保水壩，其中95%以上是土石壩。土石壩是指通過傾倒和碾壓當(dāng)?shù)赝寥?、石塊或混合物而建造的擋土壩。閘門結(jié)構(gòu)中使用的水閘和壩坡穩(wěn)定性是影響大壩安全的關(guān)鍵因素。閘門是低水頭液壓結(jié)構(gòu)。閘門打開時(shí)，可起到洗砂、排水、排洪、調(diào)節(jié)流量的作用；當(dāng)閘門關(guān)閉時(shí)，它可以起到防潮、防洪和提高水位的作用。閘門基礎(chǔ)的土壤是可滲透的，水向下游流過土壤的孔隙，這種水在土壤中的流動(dòng)稱為滲流。閘門底部的滲流具有一定的壓力能，稱為滲透壓。滲透壓為向上壓力，垂直于水閘底部結(jié)構(gòu)。軟土地基上建立的閘門在滲透水流作用下容易發(fā)生滲透變形，特別是粉末和細(xì)砂基礎(chǔ)。在閘門之后，很容易看到沙子和水。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)做好防滲排水設(shè)計(jì)，并在閘門上游設(shè)置防滲鋪蓋、垂直防滲等防滲設(shè)施。特別是河流兩側(cè)的上游連接建筑物和與鋪蓋的連接部分，需要在該空間中整體形成防滲漏。

1 水閘滲流計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)單一地基上水閘滲流進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，且得出了較為豐富的研究成果。于長(zhǎng)金和石平分析了水閘滲流的危害、水閘的防滲排水設(shè)計(jì)并提出了具體的施工方法[1]。馬麗以西海攔河閘除險(xiǎn)加固中的沖砂閘為例，闡述了改進(jìn)阻力系數(shù)法和直線比例法的原理。兩種方法用于計(jì)算單個(gè)基礎(chǔ)上的沙閘的滲流[2]。王麗麗分析了水閘的不同滲透類型以及不同的防滲排水措施[3]。安普太分析了土壤水閘滲流計(jì)算的各種方法，介紹了水閘滲透穩(wěn)定性的計(jì)算和水閘繞滲的計(jì)算過程，提出了一種解決閘門基礎(chǔ)滲漏和水閘繞滲的防滲措施，以及相關(guān)的設(shè)計(jì)思路[4]。李飛用有限元軟件計(jì)算單個(gè)基礎(chǔ)閘門的滲流問題，并與《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明有限元軟件可以方便地應(yīng)用于水閘滲流問題[5]。

但是目前相對(duì)于多層復(fù)雜軟土地基上的多樁加固水閘滲流研究的問題相對(duì)少見，且惡劣地質(zhì)條件上建立的水閘滲流問題尤其值得關(guān)注[6]。因此，本文以杭州某水庫為例，采用Geostudio有限元軟件對(duì)復(fù)雜地基上水閘的有限元滲流進(jìn)行了分析，為類似復(fù)雜地基上水閘工程的滲流穩(wěn)定性計(jì)算提供理論依據(jù)。

1.1 理論介紹

本文采用Geostudio有限元計(jì)算軟件對(duì)杭州某地區(qū)水閘進(jìn)行穩(wěn)定滲流分析，關(guān)于Geostudio滲流計(jì)算基本方法是達(dá)西定律，達(dá)西定律在非飽和帶和飽和帶中的應(yīng)用是相同的。計(jì)算時(shí)，使用穩(wěn)態(tài)分析平面二維滲流方程如下:

(1)

式中，h—總水頭函數(shù)；kx—x方向滲透系數(shù)；ky—y方向滲透系數(shù)；Q—邊界滲透流量函數(shù)。其中水頭邊界條件h=f1(x,y)；流量邊界條件Q=f2(x,y)。本文采用的有限元軟件中的SEEP/W模塊可以應(yīng)用于求解該邊值問題。

1.2 工程實(shí)例分析

針對(duì)于杭州某水庫水閘滲流進(jìn)行計(jì)算分析，水閘地下輪廓線如圖1所示。水閘地基采用鉆孔灌注樁進(jìn)行加固，其分布為水平向沿x軸呈三排，本文取二維剖面進(jìn)行計(jì)算，樁長(zhǎng)7.7m，直徑0.5m，間距7m。關(guān)于水閘各高程如圖1所示。閘門位置的地質(zhì)條件是第四紀(jì)全新世(Q4)。通過勘察資料，每層土壤的特征描述如下：第一層為粉土，埋深7m；第二層為粉砂，埋深5m。閘門上游水位為15m，下游水位默認(rèn)為地面高程12m。

圖1 水閘地下輪廓線(單位：mm)

1.3 不同灌注樁分布形式下有限元實(shí)施

針對(duì)兩種不同工況，即水閘工程灌注樁采取沿x軸三排分布，水閘上游與鋪蓋連接處采取單樁分布[7]，模型如圖2所示。并且對(duì)兩種滲流進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。在這里，GEOSTUDIO軟件用于分析閘門滲漏問題。該軟件自動(dòng)執(zhí)行網(wǎng)格劃分，總共9358個(gè)節(jié)點(diǎn)分為9042個(gè)單元。水閘及地基相關(guān)滲透參數(shù)見表1。

圖2 水閘滲流計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果如圖3—4所示，圖3(a)是三樁分布式閘門滲流矢量。研究結(jié)果表明，在壓力水頭下水流從水閘上游往下游通過樁繞滲。一開始在上游鋪蓋處，滲流矢量呈增大的趨勢(shì)，繼而到灌注樁位置逐漸往下減小，繞樁運(yùn)動(dòng)；在樁端位置，水流滲流矢量呈密集狀態(tài)，在樁間滲流呈環(huán)形分布，其中在水閘底部結(jié)構(gòu)處，滲流矢量呈稀疏狀態(tài)。由此可見，灌注樁在這里不僅起加固閘基的作用，而且起了防水帷幕的作用；最后滲流在水閘下游處排出，此時(shí)滲流矢量呈均勻、分散運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

表1 滲透系數(shù) 單位：cm/s

圖4(a)為三樁分布水閘滲流總水頭等勢(shì)圖，結(jié)果表明，在軟弱復(fù)雜地基上，由于鉆孔灌注樁的存在，等勢(shì)線分布在第二層地基土粉砂土中，且在樁端呈散射分布；水頭大小分布隨著樁的分布有明顯規(guī)律。因此，在工程實(shí)際中，遇到復(fù)雜地基，可以通過控制灌注樁入土深度來消除總水頭對(duì)閘基的不利影響。

通過圖4(a)結(jié)果表明，隨著滲流從水閘上游往下游運(yùn)動(dòng)，總水頭逐漸減小。在上游鋪蓋處至第一根灌注樁位置，總水頭分布在14.2～14.8m，此時(shí)由于水頭總勢(shì)能最大，滲流矢量也相對(duì)較大；在第一、第二灌注樁之間，總分頭分布較為均勻，在14～14.4m之間，此時(shí)滲流矢量有減小的趨勢(shì)；第二、第三灌注樁之間總水頭呈12.6～13.2m均勻分布，此時(shí)滲流矢量相對(duì)較小；到水閘下游處，總水頭在12～12.4m之間均勻分布，滲流矢量最小，且較為分散。

圖4 水閘滲流總水頭等勢(shì)圖

通過對(duì)多樁分布下滲流計(jì)算分析，可以看出，灌注樁的存在對(duì)總水頭勢(shì)能、滲流矢量有很大的影響，因此本文很有必要對(duì)樁分布形式對(duì)滲流的影響進(jìn)行對(duì)比分析。相較于三樁分布形勢(shì)下，單樁分布下滲流矢量整體呈對(duì)稱分布，總趨勢(shì)與三樁分布一致，都是沿著樁端呈繞滲。然后滲流從水閘下游表面土排出。然而單樁分布下，閘底水流滲流矢量更加密集，且滲流所引起的閘底揚(yáng)壓力不可忽視[8]，不利于閘底的穩(wěn)定，如圖3(b)所示。

圖4(b)為單樁分布下水閘滲流總水頭等勢(shì)圖，可以看出單樁兩側(cè)呈明顯區(qū)別。上游出口頭明顯大于下游頭部。相較于多樁分布，單樁分布樁端水頭勢(shì)能更成多層次傘狀分布；且水閘內(nèi)部結(jié)構(gòu)水頭勢(shì)能更加密集。相較于多樁分布，單樁分布水閘內(nèi)部盡管勢(shì)能變化十分明顯，呈不利狀態(tài)，但是水閘地基總水頭勢(shì)能要明顯小于多樁分布狀態(tài)，該現(xiàn)象可能是由多樁分布水閘復(fù)合地基更加穩(wěn)定，水流滲流矢量受禁錮于樁間，導(dǎo)致閘底總水頭勢(shì)能增大所造成的。

2 水閘防滲措施探討

上文對(duì)不同灌注樁分布形式下水閘滲流進(jìn)行了分析，除了灌注樁，還有不少措施能對(duì)水閘防滲發(fā)揮作用，下面對(duì)此進(jìn)行探討。

2.1 鋪蓋防滲

鋪蓋位于閘室底板和上游翼墻之間，其長(zhǎng)度等同于上游翼墻。它的作用是增加防水部分的長(zhǎng)度，延長(zhǎng)滲透性，改變滲透性分布，降低滲透率和流速[9]。鋪蓋通常采用混凝土或黏土，且應(yīng)在鋪蓋、閘底之間安裝止水裝置以有效防止?jié)B水。為了防止鋪蓋在施工期間受到損壞及被水沖洗，可以在頂部設(shè)置約0.4m的塊狀保護(hù)層；同樣為防止凍害，鋪蓋需放在防凍層下面。

2.2 反濾層防滲

在滲流出口處，滲流的坡度通常很大，并且容易發(fā)生滲透變形。過濾層通常由3層不同直徑的礫石和粗砂組成。黏性土地基，一般只設(shè)2層。除了上述常用的砂礫材料之外，還可以使用土工織物。土工織物是由合成纖維或氈穿孔氈(即，非織造土工織物)編織的網(wǎng)。土工布具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、施工簡(jiǎn)單、施工速度快、投資少、透水性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，在過去的10年中，土工織物已迅速應(yīng)用于交通、水利、建筑和其他工程領(lǐng)域。由于土工織物非常薄(通常為3mm)，因此在施工期間應(yīng)特別小心。另外，土工布由化學(xué)纖維原料制成，在陽光照射下容易老化。

2.3 灌注樁

水閘基底灌注樁不僅能加固地基，抑制滲流揚(yáng)壓力，而且起帷幕防滲作用。在復(fù)雜地基水閘建設(shè)中，要尤其靈活運(yùn)用灌注樁的入土深度[10]。應(yīng)根據(jù)滲透層的實(shí)際埋藏深度進(jìn)行有針對(duì)性的判斷。通常灌注樁應(yīng)盡量靠近不透水層，此時(shí)滲流矢量對(duì)水閘基底的影響最小。

3 結(jié)語

在水閘的防滲排水設(shè)計(jì)中，計(jì)算滲流的原因是為了獲得滲流區(qū)滲透流量，滲透梯度和滲透壓的具體數(shù)值，為水閘壽命的延長(zhǎng)提供技術(shù)保障[11]。本文針對(duì)杭州某水閘進(jìn)行了復(fù)雜地基軟土滲流計(jì)算，得出了一系列相關(guān)規(guī)律，并且對(duì)不同灌注樁分布形勢(shì)下滲流的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，灌注樁不僅起加固閘基的作用，而且起了防水帷幕的作用，灌注樁能有效減小水閘底部滲流壓力。在軟弱復(fù)雜地基上，由于鉆孔灌注樁的存在，總水頭等勢(shì)線在樁端呈散射分布，水頭大小分布隨著樁的分布有明顯規(guī)律。相對(duì)于多樁分布，單樁閘底水流滲流矢量更加密集，所引起的閘底揚(yáng)壓力不利于閘底的穩(wěn)定；單樁分布水閘地基總水頭勢(shì)能要明顯小于多樁分布狀態(tài)。在對(duì)水閘滲流分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，本文還討論了防滲措施，如鋪蓋防滲、反濾層防滲，為相關(guān)工程提供理論依據(jù)。