樁頂褥墊層截滲對水閘滲流的影響

謝義偉 德州市水利局水利施工處

張虎 德州市水利局引黃工程維修施工處

1.案例分析

海陽市留格攔河閘閘室的長度是9 8 米，結(jié)構(gòu)形式屬于整體式結(jié)構(gòu)，且閘室兩孔一聯(lián)。在新建水閘前，通過現(xiàn)場調(diào)查與數(shù)據(jù)收集分析得出，閘室地下的地質(zhì)情況分為兩點(diǎn)：其一，全風(fēng)化花崗巖的厚度達(dá)到了2到3.2米，實(shí)際承載力特征數(shù)值可以達(dá)到110kPa；其二，全風(fēng)化花崗巖的承載力特征數(shù)值達(dá)到了280kPa。因此，施工單位在正式處理前提出，閘室的持力層地基水平?jīng)]有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，要引用CFG樁復(fù)合地基方案進(jìn)行地基處理，并在樁頂設(shè)計(jì)300毫米厚度的褥墊層，以此來提高閘基礎(chǔ)的整體承載能力。

2.分析滲流

2.1 水閘及其滲流類型

水閘是指運(yùn)用閘門擋水與泄水的中低水頭水工建筑物，通常情況下存在于水庫、河道等項(xiàng)目中。需要注意的是，在設(shè)計(jì)水閘時(shí)對滲流情況進(jìn)行計(jì)算，有助于項(xiàng)目管理人員更加全面的了解滲流量、滲流對水閘地基的影響等，以此為后續(xù)解決水閘結(jié)構(gòu)形變等問題提供有效依據(jù)。了解當(dāng)前水閘工程建設(shè)情況可知，滲流對建筑物產(chǎn)生的破壞非常嚴(yán)重，且大都是不可預(yù)測的，若是發(fā)現(xiàn)也很難處理。一般來講，滲流類型有管涌、流土及接觸流土等。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因分為兩點(diǎn)：其一，內(nèi)因。如土的性質(zhì)等，影響著滲流出現(xiàn)的形式；其二，外因。如水流的條件等；通過研究這一影響因素，可以明確土體是否可以承擔(dān)滲流坡降，并提出有效的處理對策，從而保障出口區(qū)域的基土不會(huì)受影響。

2.2 樁頂褥墊層作用

現(xiàn)階段，在我國處理地基工作中，CFG樁復(fù)合地基展現(xiàn)出了積極作用。對復(fù)合地基而言，是否在基礎(chǔ)之下設(shè)計(jì)褥墊層對其承載水平的影響極大，如果在施工期間沒有設(shè)計(jì)褥墊層，復(fù)合地基的承載特性與樁基礎(chǔ)類似，無法充分展現(xiàn)樁間土的承載水平。而在基礎(chǔ)之下設(shè)計(jì)褥墊層，有助于樁間土的承載力水平得到充分發(fā)揮，確保荷載在褥墊層的引導(dǎo)下進(jìn)入樁間土中，從而讓樁、土共同承擔(dān)荷載。在海陽市留格攔河閘工程建設(shè)中，如果只是設(shè)置樁頂褥墊層，而不進(jìn)行截滲，那么在水壓力的作用下CFG樁褥墊層中會(huì)形成一條滲流通道，這樣就加大了地基的水力坡降與滲流量，對閘室的安全穩(wěn)定而言產(chǎn)生很大的威脅；在水閘建設(shè)中通過設(shè)計(jì)齒墻對樁頂褥墊層進(jìn)行截滲，對比以往的施工項(xiàng)目，滲流量得到了有效控制，且保障了水閘滲流的平穩(wěn)性，并減少上游的滲流量；齒墻在控制水利坡降的效果上非常顯著。

2.3 構(gòu)建模型及計(jì)算結(jié)果

第一，通過運(yùn)用AutoBa n k有限元分析軟件，針對本文概述案例進(jìn)行模型構(gòu)建，主要分析閘底板、土及褥墊層之間在作用下的數(shù)值模型，以此全面分析齒墻對褥墊層抗?jié)B的影響。其中構(gòu)建模型分為兩種，一種會(huì)在褥墊層設(shè)計(jì)兩道齒墻進(jìn)行截滲，另一種不設(shè)計(jì)齒墻。如圖1。

圖1 褥墊層設(shè)計(jì)

第二，需要注意的是，為了保障實(shí)驗(yàn)探究的安全性，操作會(huì)從低水位與高水位的檢修工作情況入手進(jìn)行對比分析。同時(shí)，還要在研究前明確滲流計(jì)算原理，具體公式如（1）所示：

其中公式中的φ=（x,y）代表等待求解的水頭勢函數(shù)；而x，y表示平面坐標(biāo)；kx和ky為x，y軸方向的滲透系數(shù)。需要注意的是，在計(jì)算過程中，必須要保障水頭φ符合預(yù)先提出的邊界要求，如在上游邊界的水頭φ=φ'等。

通過運(yùn)用有限元中的離散，并預(yù)先設(shè)定單元滲流場的水頭φ是多項(xiàng)式，而后引用微分方程與邊界條件明確問題的變分形式，最終可以得到如（2）所示的線性方程組：

其中公式中的[H]代表滲透的矩陣，而{φ}表示滲流場的水頭，是指節(jié)點(diǎn)的滲流量。在計(jì)算上述方程組時(shí)，現(xiàn)場施工人員可以明確節(jié)點(diǎn)水頭，并由此計(jì)算出流速、水力坡降等信息。以高水頭工作情況為例，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 水利坡降表

第三，研究滲流模擬結(jié)果。

一方面，設(shè)計(jì)齒墻滲流影響著褥墊層的滲流量。整合研究現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，滲流量最高的是無齒墻有褥墊層；滲流量最低的是有齒墻有褥墊層。設(shè)計(jì)齒墻的區(qū)域，水閘滲流量會(huì)隨著水頭提高持續(xù)增加，這也證明設(shè)計(jì)褥墊層會(huì)構(gòu)成透水通道，并由此增加水閘滲流量。而對比沒有齒墻與設(shè)計(jì)齒墻的區(qū)域發(fā)現(xiàn)，滲流量得到了有效控制，通過齒墻做好截滲工作，充分發(fā)揮復(fù)合地基的優(yōu)勢，且不會(huì)影響水閘工程的日常運(yùn)行。另一方面，齒墻截滲有助于控制水利坡降。以上面工作情況為例，無齒墻、無褥墊層地基的水力坡降可以達(dá)到0.79，而無齒墻、有褥墊層地基的坡降是1.11，相比前者增加了百分之四十點(diǎn)五。而有齒墻、有褥墊層地基的水利坡降只有0.72，對比沒有齒墻的區(qū)域減少了百分之三十五點(diǎn)一。由此可知，在相同水位內(nèi)，通過在水閘底板中設(shè)計(jì)褥墊層，能增加地基的整體承載能力，但也會(huì)加大地基的水利坡降，影響水閘的平穩(wěn)性。而在褥墊層中設(shè)計(jì)齒墻進(jìn)行截滲，就能有效的減少水利坡降。這樣能充分發(fā)揮褥墊層的作用，在提高地基承載力的同時(shí)又保證了水閘的安全運(yùn)行。

3.基于樁頂褥墊層截滲解決水閘滲流的有效策略分析

3.1 累積豐富施工經(jīng)驗(yàn)

從我國當(dāng)前水閘工程建設(shè)情況可知，我們在水閘工程建設(shè)中應(yīng)用的截流技術(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他國家。因此，我們在處理水閘滲流問題時(shí)，必須要整合以往工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，合理借鑒其他國家的優(yōu)秀施工案例，并結(jié)合自身工程項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。只有這樣才能全面提高我國水閘地基建設(shè)的截流水平，保障水閘工程的質(zhì)量安全。同時(shí)，在施工期間還要針對不同的滲流情況進(jìn)行深入探索，認(rèn)真將其記錄到工作日志中，以此為后續(xù)水閘安全運(yùn)行研究奠定基礎(chǔ)。

3.2 優(yōu)化現(xiàn)場準(zhǔn)備工作

一，材料要求。一方面要保障石子粒徑不能超過30毫米，且內(nèi)部沒有雜質(zhì)，含泥量要低于百分之五，另一方面要運(yùn)用粗砂或中砂進(jìn)行材料配置，并將級配比例控制在3：7；二，應(yīng)用設(shè)備。施工常見設(shè)備有手推車、水管、平板式振動(dòng)器等，在正式施工前，施工人員必要結(jié)合施工步驟準(zhǔn)備適宜的機(jī)械設(shè)備；三，作業(yè)條件。預(yù)先明確褥墊層的施工厚度，并了解齒墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3.3 科學(xué)保護(hù)施工成品

具體工作包含：其一，在回填碎石時(shí)，要著重保護(hù)軸線樁，并在現(xiàn)場進(jìn)行復(fù)測；其二，在施工期間要有效保護(hù)邊坡，預(yù)防土流進(jìn)入槽內(nèi)；其三，在完成碎石鋪夯工作后，要控制來往車輛和行人的數(shù)量。

3.4 關(guān)注施工質(zhì)量問題

具體工作包含：其一，全面管控褥墊層施工工藝標(biāo)準(zhǔn)，確保夯實(shí)次數(shù)超過四次；其二，保障振搗工作的均衡性與科學(xué)性，減少局部下沉現(xiàn)象的發(fā)生；其三，在石子裝車的過程中，不要將地表土混入其中；其四，認(rèn)真核查施工圖紙，保證圖紙?jiān)O(shè)計(jì)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)一致。

4.結(jié)束語

綜上所述，樁頂褥墊層截滲對水閘滲流而言至關(guān)重要。通過整合實(shí)踐施工情況分析可知，由于我國針對水閘工程滲流提出的處理對策非常少，且累積的工作經(jīng)驗(yàn)不多，所以必須要通過構(gòu)建對應(yīng)模型，經(jīng)過全方位分析才能提出有效的處理對策。這樣不僅能加強(qiáng)閘室的穩(wěn)定性，而且可以確保水閘工程日常工作可以有序落實(shí)，最終為后續(xù)工程建設(shè)及滲流處理提供有效依據(jù)。