基于缺陷的水閘防滲墻滲流穩(wěn)定性研究

張云峰，張 燕，張志闖

（1.淮安市淮陰區(qū)水利局，江蘇 淮安223300；2.淮安市淮陰區(qū)竹絡(luò)壩灌區(qū)水利管理所，江蘇 淮安223300；3.江蘇信通工程項目管理有限公司，江蘇 淮安223300）

1 引言

水閘是修建在河道、水庫、湖泊、渠道上十分常見的低水頭水工建筑物， 能通過閘門的升降來調(diào)節(jié)水位和流量，常用于灌溉和防洪排澇等方面［1-2］。 建立在土基上的水閘，由于其物理性質(zhì)與土體不同，常常存在滲漏隱患。對于滲透性較好的地基土來說，如果不對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓こ烫幚恚坏┌l(fā)生滲漏，往往可能會發(fā)生流土或管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。 對于水閘地基的防滲處理，通常采用垂直防滲板樁、高壓旋噴樁、水泥攪拌樁、懸掛式防滲墻等方案［3-5］。 對于懸掛式防滲墻來說，因為工藝水平有限或施工質(zhì)量不佳，往往會出現(xiàn)防滲墻鋪設(shè)深度不足、 出現(xiàn)破損等潛在病害。 經(jīng)過一段時間的使用，在水流的作用下，往往會發(fā)生防滲墻滲漏現(xiàn)象。這不僅引起水量損失，還會造成滲透破壞，引起建筑物地基沉陷，影響建筑物安全。 廣東某水利樞紐工程就發(fā)生一起防滲墻滲漏引起下游消力池地板隆起及斷裂， 大大影響水閘的安全使用［6］。

本文依托江蘇省某水閘工程， 通過數(shù)值模擬方法模擬水閘正常水位下閘基滲流場， 分析防滲墻鋪設(shè)深度、 防滲墻是否出現(xiàn)缺陷及缺陷位置等對閘基滲流場的影響。

2 基本理論

在水閘處于正常蓄水位工況下， 在水頭差的作用下，水在土體中的移動滿足達(dá)西定律，非飽和土滲流控制方程［7］如下：

式中 xi，xj為i，j方向的位置坐標(biāo)；ksij為飽和滲透張量；kr為相對透水率；hc為壓力水頭；β為非飽和常數(shù)；Ss為貯水量；Q為源匯項；C為比水容度；θ為與壓力水頭相關(guān)的函數(shù)；n為孔隙率；t為時間。

3 數(shù)值模擬

3.1 工程概況

某改造水閘是一座以引水為主、 排水為輔為目的的水閘。 該改建工程場地地基土均屬第四紀(jì)沉積物。 地基土的主要成分是含礫粗砂、 含卵石礫質(zhì)粗砂、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層。本次模擬根據(jù)實際土層分布，將水閘地基分為三種土層，分別為含卵石礫質(zhì)粗砂層、 全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層及強(qiáng)風(fēng)化粉細(xì)砂巖層。 含卵石礫質(zhì)粗砂層呈很濕～飽和，稍密，中等壓縮性狀，滲透性較好，具中等透水性，在水動力等外力作用下有產(chǎn)生流土或管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象的可能性。

3.2 計算模型

根據(jù)以上工程勘測資料，本次計算模型如圖1，其中上游水位為17.96m，下游水位為15.46m，上下游水頭差為2.5m。 地基上部建筑物主要包括上游護(hù)坦、閘門、閘室地板和消力池等。 在水閘上游處設(shè)置高壓旋噴防滲墻，防滲墻深入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層2m。

圖1 計算模型圖

3.3 模型參數(shù)和計算工況

將工程勘測得到的土層物理力學(xué)參數(shù)和實驗室內(nèi)測得的土層滲透系數(shù)相結(jié)合， 確定模型中各個地層的物理力學(xué)參數(shù)。 將地基土上部結(jié)構(gòu)材料設(shè)為不透水材料。 各土層滲透系數(shù)值如表1。

表1 地基各土層滲透系數(shù)

針對防滲墻出現(xiàn)缺陷及其未能伸到全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等情況， 主要計算5個工況： ①防滲墻完整；②防滲墻底部距離全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖0.5m；③防滲墻底部距離全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖2m；④防滲墻缺陷尺寸0.2m，距離頂部5m；⑤防滲墻缺陷尺寸0.2m，距離頂部10m。

4 計算結(jié)果分析

圖2和圖3為防滲墻完整時， 水閘基礎(chǔ)土體的滲流場和水力梯度變化等值線圖。

圖2 防滲墻完整時水頭等值線分布

圖3 防滲墻完整時水力梯度等值線分布

由圖2可知，當(dāng)防滲墻沒有出現(xiàn)缺陷時，防滲墻底部水頭等值線比其他部位密集， 此處的水頭損失較大，水頭變化值較大，防滲效果良好。 由圖3可知，防滲墻底部的水力梯度明顯變大， 距離防滲墻底部越近，水力梯度越大。這是因為防滲墻的存在改變了水流的方向，水流從防滲墻底部繞過，迅速降低了水頭。

4.1 防滲墻鋪設(shè)深度對滲流場的影響

圖4 防滲墻底部距離全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖0.5m水頭等值線分布

圖5 防滲墻底部距離全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖2m水頭等值線分布

圖4和圖5為水閘防滲墻是否伸入全風(fēng)化層內(nèi)的水頭等值線分布圖。對比圖4和圖2可知，當(dāng)防滲墻僅在含卵石礫質(zhì)粗砂層時， 在防滲墻下游的水頭值較大， 這是因為在含卵石礫質(zhì)粗砂層和全風(fēng)化層頂部之間的滲透系數(shù)差別大，防滲墻又是不透水結(jié)構(gòu)，使得防滲墻底部與全風(fēng)化層頂部存在一個滲流通道，水流流經(jīng)這個部位時，水頭損失較小，因此水流越過防滲墻后水頭損失小。 可以看出防滲墻未鋪至全風(fēng)化層時，在防滲墻下游的水頭明顯提高。

圖6和圖7為防滲墻距離全風(fēng)化層不同距離的水力梯度等值線分布圖。對比圖6和圖7可以看出，防滲墻底部與全風(fēng)化層頂部之間土體的水力梯度分布整體上相似，防滲墻底部距離全風(fēng)化層頂部越遠(yuǎn)，防滲墻底部與全風(fēng)化層頂部之間土體的水力梯度越小。這是因為防滲墻底部與全風(fēng)化層頂部之間形成的透水薄層厚度不同。這是因為透水薄層越厚，即防滲墻底部離全風(fēng)化層頂部越遠(yuǎn)， 水流越容易從該區(qū)域流過，分流的水流量越多，相對而言分流到全風(fēng)化層的水流越少，因此水力梯度也就越小。

圖6 防滲墻底部距離全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖0.5m水力梯度等值線分布

圖7 防滲墻底部距離全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖2m水力梯度等值線分布

4.2 防滲體缺陷對滲流場的影響

圖8 防滲墻缺陷距離頂部5m水頭等值線分布

圖9 防滲墻缺陷距離頂部10m水頭等值線分布

圖8和圖9為防滲墻在不同高程出現(xiàn)缺陷時的水頭等值線分布比較圖。對比圖8和圖2可知，當(dāng)防滲墻存在缺陷時，滲流場發(fā)生了明顯變化，防滲墻后的區(qū)域內(nèi)水頭抬升，尤以缺陷處的水頭抬升最為明顯。另外，由于缺陷的位置不同，缺陷處的水壓力不同，因此防滲墻后的滲流場變化也不同，總的來說，防滲墻缺陷位置越低，影響范圍越大。

圖10和圖11為水閘防滲墻不同高程出現(xiàn)缺陷時的水力梯度變化云圖。 與圖3對比可知，防滲墻出現(xiàn)缺陷后水力梯度與未出現(xiàn)缺陷前都出現(xiàn)驟增現(xiàn)象。這是因為在缺陷位置處土體的滲透系數(shù)較大， 水流經(jīng)過此處時會導(dǎo)致該區(qū)域水力梯度上升。 而且對比圖10和圖11可知，當(dāng)防滲墻出現(xiàn)缺陷時，防滲墻底部的水力梯度有所減小， 這是因為缺陷處的水力梯度較大，分散了一部分水流。對比防滲墻不同位置的水力梯度可知，防滲墻缺陷影響范圍有限，主要會引起其周邊水力梯度的變化， 對于遠(yuǎn)離缺陷位置的水力梯度影響大致相同。

圖10 防滲墻缺陷距離頂部5m水力梯度等值線分布

圖11 防滲墻缺陷距離頂部10m水力梯度等值線分布

5 結(jié)語

（1）鋪設(shè)防滲墻且防滲墻完整時，防滲墻下游（水閘內(nèi)側(cè)）的水頭等值線分布密集，水頭損失值變化大，說明防滲墻阻礙水流的流動，從而大大提高水閘的防滲能力。

（2）防滲墻未伸入全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖時會對水閘防滲產(chǎn)生一定的影響， 防滲墻底部距離全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖越遠(yuǎn)，防滲效果越差，同時全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與防滲墻底部間的透水薄層越厚。

（3）防滲墻缺陷引起水閘地基滲流場的重分布，主要影響區(qū)域為防滲墻附近區(qū)域。 防滲墻缺陷位置越低，滲流場的重分布范圍越大。