黑崗口引黃閘滲透監(jiān)測分析研究

楊玉慶 王緒 趙啟旸

摘 要：引黃涵閘在施工和運行過程中，滲透破壞是涵閘出現結構問題的主要原因。通過對黑崗口引黃閘布設滲透監(jiān)測設施，并對監(jiān)測情況進行統(tǒng)計、分析、研究，以此檢驗、判定涵閘除險加固的效果和涵閘正常運行的安全狀況，進一步用于涵閘的管理決策和科學預報，并引申歸納出涵閘滲透破壞的影響因素，以及設計時應采取的相應措施。

關鍵詞：引黃涵閘;滲透監(jiān)測;滲透分析;防滲措施;黑崗口

中圖分類號：TV547.5;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.026

Abstract：During the construction and operation of the Yellow River diversion culvert gates， seepage failure is the main cause of structural problems. In this paper， through the installation of seepage monitoring facilities in Heigangkou Yellow River diversion sluice， and the statistics， analysis and research of the monitoring situation， the working effect of danger elimination and reinforcement of the culvert and sluice and the safety condition of the normal operation of the culvert and sluice were checked and determined. It was further used for the management decision-making and scientific prediction of culvert gates and the influencing factors of the seepage failure of culvert gates were induced and corresponding measures that should be taken in the design.

Key words： Yellow River diversion sluice; seepage monitoring; seepage analysis; seepage control measures; Heigangkou

引黃涵閘在施工和運行過程中，滲透破壞是涵閘出現結構問題的主要原因[1]。有關資料顯示，穿堤涵閘滲透破壞產生的原因主要有：①施工時土石結合部土方壓實度不合格，滲透壓力較大，在土石結合部形成滲流通道;②防滲、止水部位施工質量不滿足設計要求，在滲透壓力作用下產生破壞，形成滲流通道;③地基承載力不足，閘體結構產生不均勻沉降，形成裂縫，長期帶病運行，混凝土鋼筋銹蝕，裂縫增大，形成從閘洞內到堤身的滲漏，最終在涵閘、堤身間形成破壞;④閘體、涵洞混凝土因凍融、水力侵蝕、自身裂縫而加速結構破壞，最終仍會在河水滲透作用下，誘發(fā)堤身、涵閘的嚴重破壞。

引黃涵閘的滲透破壞影響著黃河下游堤防、涵閘正常功能的發(fā)揮，甚至造成大的險情，嚴重威脅兩岸群眾的生命財產安全。因此，在堤身、涵閘上布置滲流監(jiān)測設備進行監(jiān)測，根據滲流監(jiān)測資料的分析以及與理論計算值對比，發(fā)現工程內部的異常現象，為正確評價滲流異常影響提供技術依據和險情預警預報，是確保堤身、涵閘安全工作狀態(tài)的重要方法。

1 黑崗口引黃閘監(jiān)測設置

1.1 工程概況

黑崗口引黃閘位于開封市北郊，黃河南岸黑崗口險工段大堤樁號77+170處，始建于1957年，為Ⅰ級水工建筑物。該閘為5孔涵洞式水閘，孔口寬1.8 m，高2.0 m;涵洞寬2.5 m，高2.0 m;設鋼木平板鋼門，手搖式15 t螺桿啟閉機。設計流量50 m3/s，加大流量64 m3/s，設計灌溉面積4.4萬hm2，兼顧開封城市生活、工業(yè)用水。

2009年黑崗口閘安全鑒定結果為三類閘。為保障水閘安全運行和閘址處堤防防洪安全，于2014年對該閘進行了除險加固。為監(jiān)測黑崗口閘與大堤結合部的滲透壓力分布情況，檢驗、判斷除險加固效果，在除險加固工程設計、施工時，結合水閘實際情況，重新布設安裝了滲流監(jiān)測設施，以實現對閘體以及周圍滲流場的在線監(jiān)測。

1.2 黑崗口水閘滲流安全監(jiān)測設備安設

1.2.1 黑崗口水閘滲流安全監(jiān)測設備布置

黑崗口閘采用測壓管、測壓管滲壓計監(jiān)測滲透壓力。沿水流方向共布設6組12個滲流安全監(jiān)測點，形成東、西兩個剖面，分別位于閘輪廓線兩側以外堤防上，每個監(jiān)測點位設一個測壓管，每個測壓管內安置一支滲壓計，進行實時監(jiān)測。滲流安全監(jiān)測點布置見圖1。

1.2.2 滲流安全監(jiān)測設備安裝

（1）測壓管安裝。第一步是制作、埋設測壓管并測量初始穩(wěn)定水位。黑崗口閘采用的測壓管由透水段、導管段兩部分組成，采用Φ50 mm鍍鋅鋼管制作。透水段（又稱花管段）長1.0 m，透水段面積開孔率為30%，孔眼呈“梅花狀”均勻排列，孔壁光滑無毛刺;透水段管外包裹銅絲網、土工布（規(guī)格：250 g/m2），防止土體細顆粒進入測壓管而造成淤堵，管底封閉，不留沉淀管段。導管應順直，內壁光滑無阻，如要接管，則通過管箍連接。測壓管管口設管帽，管帽頂預留通氣孔，測壓管出口處設保護裝置。

測壓管采用鉆孔埋設，在設計孔位用鉆機開孔，孔徑為100 mm，孔斜度小于1°，孔深以測壓管透水段處于砂層（相對透水層）或要求的觀測目標層為準。鉆孔過程中嚴禁采用泥漿固壁，必要時可采取套管護壁。

測壓管埋設前，應準確測量鉆孔深度、孔內穩(wěn)定水位、孔斜度、管長、孔口高程。埋設步驟：向鉆孔內填50 cm厚的中粗砂，安放測壓管，在花管段與鉆孔壁間回填粒徑為0.5～2.0 mm的標準砂（標準砂頂面高出花管開孔范圍10 cm），投放膨潤土球進行封堵，距孔口2～3 m時采用黏土回填，人工夯實。

測壓管安裝、封孔回填完成，并在地下水位穩(wěn)定后，測量測壓管內初始穩(wěn)定水位，作為后期觀測依據。黑崗口閘測壓管內測定的初始穩(wěn)定水位見表1、圖2。

第二步是測壓管靈敏性試驗。測壓管安裝完成、投入使用前必須進行靈敏性試驗，即對測壓管制作、安裝質量進行檢驗。

靈敏性試驗中，注水后水位應在測壓管透水段（以濾料頂面為準）以上5～10 m。進水段周圍若為壤土則注水量相當于1 m測壓管容積的3～5倍，若為砂粒料則為5～10倍。水位觀測開始時每間隔5 min觀測1次、共觀測5次，然后每間隔10 min觀測1次、共觀測3次，再每間隔30 min觀測1次、共觀測2次，最后根據水頭的下降速度逐漸延長時間間隔，直到水頭恢復或接近初始水頭時結束。一般來說，對于黏壤土，注入水位在120 h內降至原水位為靈敏度合格;對于砂壤土，24 h降至原水位為靈敏度合格;對于砂礫土，1～2 h降至原水位或注水后水位升高不到3 m為合格。對于靈敏度檢驗不合格的測壓管，采取反復往孔內注水或抽水的方式進行洗孔，或重新鉆孔埋設測壓管，直至測壓管靈敏度測試合格為止。

以西1（C01）測壓管的注水試驗數據為例（見表2），在注水后5 h，管內水位與測前水位基本一致，說明測壓管靈敏度高，測壓管埋設合格。

（2） 滲壓計安裝。滲壓計精度高、滯后時間短，可實現遙測和自動化觀測;可與測壓管結合使用，也可直接埋入測點部位單獨使用。黑崗口閘采用基康BGK4500S-700 kPa滲壓計。該滲壓計外徑為19.05 mm，長度為133 mm，能夠長期測量測壓管、鉆孔、堤壩中的孔隙水壓力，靈敏度可達到0.025%F.S.。

為減少鉆孔，降低對施工過程的干擾，保護滲壓計線纜不被施工機械破壞，采用將滲壓計放入測壓管內的埋設方式。

滲壓計安設在測壓管內之后，先要得到零讀數。為了使讀數用于隨后的數據處理，得到準確的零讀數，應以確保其在測壓管中穩(wěn)定20～30 min，以確保其在孔內達到溫度平衡。用讀數儀測讀零壓力時的信號值，測讀3次，取平均值作為零讀數。

2 黑崗口閘監(jiān)測數據分析

2.1 滲透變形破壞分析

2.1.1 滲透破壞的形式

黃河大堤堤身填筑土料均采用黏粒含量為5%～10%、塑性指數為7～20的黏性土，黏性土滲透破壞的形式主要有流土、接觸流土、剝落、接觸沖刷4種。

（1）流土：表層為黏土與其他細粒土組成的土體產生流土破壞的現象，表現為土體表面隆起、頂穿、斷裂、剝落，主要發(fā)生在出逸面無蓋重的情況下。

（2）接觸流土：在黏性土與粗粒材料接觸處，發(fā)生土體向粗?？障吨幸苿拥牧魍疗茐默F象。土體破壞前，滲流出逸體積略有增大，在土的表面產生裂縫，然后產生流土，呈圓錐狀脫落。

（3）剝落：當滲透水流經黏性土向設有粗顆粒材料蓋重一側滲透時，未被粗顆粒材料遮蓋的部位產生逐漸剝落，形成深洼。剝落深度約為粗粒土孔隙直徑的一半。

（4）接觸沖刷：沿相鄰不同土層的層間流動產生的沖刷。

2.1.2 允許水力坡降的確定

2.2 滲壓計實測水位及特征分析

2.2.1 滲壓計水位觀測結果

滲壓計調試好后，實現了黑崗口水閘水位的監(jiān)測（滲壓計C01、C07靠近上游主河道，實測水位與黃河河道內水位非常接近，為方便觀測，以此作為黃河河道水位）。根據2015年5月27日—9月16日滲壓計實測水位繪制水位過程線（見圖3

），可以看出，各測點滲壓計所測水位的變化規(guī)律相似，水位變幅較小。8月5—10日、8月20—25日、9月1—6日各有一次小幅的水位升高，這可以從靠近河道的滲壓計C01、C02、C07、C08數據看出此規(guī)律;其他滲壓計分布在涵閘或堤身中部，滲流變化過程線較為平緩。

2.2.2 滲壓計監(jiān)測水位過程分析

（1）水位特征值分析。根據滲壓計監(jiān)測水位得到的各測點水位特征值見表5。

表5是由實測水位直接求出的特征水位，可看出，除了C03點外，其他測點的特征水位變幅都在1.1～1.7 m之間，變化幅度較小，數據穩(wěn)定，這也與各測點水位過程線的變化規(guī)律相似。

（2）根據各實測水位計算滲流坡降。由各實測水位按照公式J=Δhl計算的滲流坡降見表6。

由上述計算結果分析可知，相鄰兩個測點無論是平均水位差，還是考慮最不利組合的最大水位差，計算滲流坡降均小于計算得出的允許水力坡降，因此可以判定該閘不會發(fā)生滲透變形破壞。

3 結 語

通過本次監(jiān)測分析可以判定，目前工況下的涵閘滲透坡降是正常的，表明黑崗口引黃閘除險加固是成功的。當然，目前滲透監(jiān)測期比較短，還需要長時間的監(jiān)測，通過監(jiān)測并統(tǒng)計分析監(jiān)測數據，判斷涵閘滲透情況是否存在異常，以便及時發(fā)出預警，采取必要措施，防止災害發(fā)生。

從本文分析過程可以看出，涵閘滲透變形破壞與閘基底板下影響范圍內的土層性質、土體的填筑碾壓質量、滲透路徑的長短等因素有關，在其他引黃閘設計時可據此采取如下防滲措施[3]。

（1）閘前河床采用水平黏土鋪蓋，增大河水向下游滲流的滲透阻力。

（2）閘室、涵閘底板基礎采用粉噴樁等方式進行地基加固，提高閘基整體的抗變形能力，減少閘室、涵洞段不均勻變形引起的結構破壞，縮短滲流路徑。

（3）閘室上游進水段的兩側邊坡及上部平臺，采用復合土工膜進行有效防護，增大水流直接發(fā)生水平滲流的滲徑和阻力，迫使河水經下部土層往下游產生滲流，降低水力坡降。

（4）嚴格控制閘室段、涵洞段外側土體的碾壓質量，確保在混凝土和土體間不形成接觸沖刷。

（5）下游出口要做好防滲反濾處理。

參考文獻：

[1] 張儒生，寇相軍，李獻珍.穿堤涵閘滲透破壞及其防治[J].黑龍江水專學報，2000，27（2）：1-2.

[2] 錢益明.淺談水閘的安全評價方法及其實例分析[J].中國水運，2012（6）：151-154.

[3] 管超.涵閘防滲設計探討[J].水能經濟，2018（4）：266.

【責任編輯 許立新】