宿州市埇橋區(qū)王橋閘防滲排水設(shè)計(jì)

趙少華

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥230088）

1 概述

王橋老閘位于沱河中游、 宿州市埇橋區(qū)蘆嶺鎮(zhèn)塌陷區(qū)內(nèi)，目前已不能運(yùn)行。為了水閘的安全和蓄水的需要， 王橋閘需要移址到塌陷區(qū)下游8.05km處重建。 重建的王橋閘5年一遇流量為268m3/s，20年一遇流量428m3/s，50年一遇流量509m3/s。新閘設(shè)計(jì)孔數(shù)為5孔，單孔凈寬為7m，屬中型水閘，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。 高程系采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)王橋閘所在的地質(zhì)鉆孔揭露情況， 土層從上至下大致可分為以下3個(gè)土體單元，描述如下：

圖1 王橋閘縱剖視圖

3 防滲排水設(shè)計(jì)

3.1 防滲長(zhǎng)度計(jì)算

王橋閘擋水工況為單向擋水， 閘基屬單向滲流，擋水工況最大水頭差5.25m，閘室建基面高程為16.7m，出口消力池建基面高程為15.35m。在防滲范圍內(nèi)閘基表層主要為砂壤土，閘基防滲長(zhǎng)度按式（1）計(jì)算：式中 L為閘基防滲長(zhǎng)度（m）；ΔH為上、下游最大水位差（m）；C為滲徑系數(shù)。 王橋閘閘基防滲長(zhǎng)度結(jié)果如表1。

表1 王橋閘閘基防滲長(zhǎng)度計(jì)算成果 單位：m

經(jīng)計(jì)算，王橋閘閘基防滲長(zhǎng)度需57.75m，王橋閘閘室底板長(zhǎng)14.5m，上游混凝土鋪蓋長(zhǎng)15.0m，下游側(cè)鋼筋混凝土消力池不透水部分水平長(zhǎng)度14.0m，閘基實(shí)際水平防滲長(zhǎng)度為43.5m，不滿足要求，故需對(duì)水閘閘基進(jìn)行防滲處理。

3.2 阻力系數(shù)法計(jì)算滲透穩(wěn)定

為避免閘基砂壤土水平滲透破壞和下游出逸比降過大引起流土或管涌破壞， 需對(duì)水閘閘基進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算，保證蓄水期間水閘正常運(yùn)行。水閘底板下分兩層地基，②層為砂壤土，可視為透水性較強(qiáng)的土層，③層為重粉質(zhì)壤土，可視為相對(duì)不透水層。閘基滲透壓力計(jì)算按照SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》公式進(jìn)行。

進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)：

式中 ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

水平段阻力系數(shù)：

式中 hi為各分段水頭損失值 （m）；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

出口段滲流坡降計(jì)算公式：

式中 J為出口段滲流坡降值。

按照上述公式計(jì)算， 求得閘基水平段和出口段出逸坡降結(jié)果如表2。

表2 王橋閘閘基水平段和出口段滲透坡降計(jì)算成果（無(wú)截滲墻）

經(jīng)計(jì)算， 王橋閘閘基水平段最大水力坡降為0.224、出口段最大水力坡降為0.333，水平值大于地質(zhì)參數(shù)規(guī)定的允許坡降0.15，閘基的滲透穩(wěn)定計(jì)算成果不滿足要求，故需對(duì)閘基進(jìn)行防滲處理。

3.3 Autobank軟件計(jì)算滲透穩(wěn)定

采用Autobank軟件 （有限元方法求解二維滲流控制方程）進(jìn)行水閘滲流計(jì)算，通過定義材料、劃分網(wǎng)格、 定義邊界條件后進(jìn)行計(jì)算并繪制水閘閘基滲流的二維流網(wǎng)。 計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 王橋閘閘基滲流計(jì)算成果圖（無(wú)截滲墻）

圖2結(jié)果顯示，王橋閘閘基水平段最大水力坡降為0.215，出口段最大水力坡降為0.381，水平值大于地質(zhì)參數(shù)規(guī)定的允許坡降0.15，閘基的滲透穩(wěn)定計(jì)算成果不滿足要求，故需對(duì)閘基進(jìn)行防滲處理。

3.4 防滲處理措施

從上述3項(xiàng)計(jì)算可看出：閘基的防滲不滿足要求。為保證蓄水期間水閘正常運(yùn)行，根據(jù)閘基土層分布和砂壤土性質(zhì)，可采用水平防滲或垂直防滲、閘基接觸面土層處理及設(shè)置出口排水反濾等措施解決王橋閘閘基滲流問題。水平防滲措施通常可采用增加上游水平鋪蓋，常用方式為混凝土鋪蓋。 垂直防滲根據(jù)王橋閘擋水情況和地基土特性，結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)，可采用多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻，截?cái)嚅l基下部透水層。 考慮水平防滲增加鋪蓋長(zhǎng)度較大，且鋪蓋止水易損壞，鋪蓋底部易產(chǎn)生通道，難以保證長(zhǎng)久的防滲效果，本次設(shè)計(jì)采用垂直防滲措施達(dá)到一勞永逸的效果。

多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻布置于閘底板上游2.0m處、鋼筋混凝土鋪蓋底部，下部進(jìn)入③層重粉質(zhì)壤土不小于1.0m，墻厚0.25m，兩端橫向延伸入翼墻底板，總長(zhǎng)約50.0m。

為解決閘基排水，減小下游地基滲透壓力，在下游消力池后段設(shè)置3排φ500mm冒水孔，梅花形布置，行距和孔距均為2.0m，其下設(shè)反濾體。 反濾料結(jié)構(gòu)自上而下分別為碎石0.2m，瓜子片0.2m，中粗砂0.2m，開挖欠高部位底部中粗砂適當(dāng)加厚。

根據(jù)上述所采取的措施， 采用阻力系數(shù)法及Autobank軟件進(jìn)行水閘滲流驗(yàn)算， 阻力系數(shù)法計(jì)算結(jié)果如表3，Autobank軟件計(jì)算結(jié)果如圖3。

表3 王橋閘閘基水平段和出口段滲透坡降計(jì)算成果（有截滲墻）

圖3 王橋閘閘基滲流計(jì)算成果圖（有截滲墻）

經(jīng)計(jì)算， 王橋閘閘基水平段最大水力坡降為0.003，出口段最大水力坡降為0.002，均小于地質(zhì)參數(shù)規(guī)定的允許坡降，閘基的滲透穩(wěn)定計(jì)算成果滿足要求。

根據(jù)圖3計(jì)算結(jié)果，王橋閘閘基水平段及出口段最大水力坡降均接近于0，小于地質(zhì)參數(shù)規(guī)定的允許坡降，閘基的滲透穩(wěn)定計(jì)算成果滿足要求。

采用阻力系數(shù)法及Autobank軟件計(jì)算的水閘閘基滲流結(jié)果均滿足滲透穩(wěn)定要求， 故采用水泥土換填及截滲墻措施后，閘基防滲效果顯著。

3.5 截滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)及技術(shù)要求

多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表4。

表4 截滲墻主要設(shè)計(jì)參數(shù)

在截滲墻施工前應(yīng)采用試驗(yàn)方法來(lái)確定截滲墻施工工藝、水泥摻入量及水灰比，具體要求如下：

（1）在永久截滲墻部位取原土樣進(jìn)行水泥土室內(nèi)試驗(yàn)（每種工況不少于3組）， 測(cè)定水泥土不同齡期、不同水泥摻入量和水灰比的試塊滲透系數(shù)、抗?jié)B能力和抗壓強(qiáng)度，確定合適的水泥摻入量和水灰比。

（2）成墻過程中根據(jù)地質(zhì)情況記錄有關(guān)施工參數(shù)和可能出現(xiàn)的問題。

（3）成墻施工結(jié)束后，對(duì)形成的截滲墻取樣試驗(yàn)，并開挖檢查成墻質(zhì)量，開挖深度2.0m左右，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和檢查情況最終確定截滲墻施工工藝。

（4）為檢測(cè)多頭小直徑攪拌樁截滲墻防滲效果，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圍封注水試驗(yàn)。

在截滲墻施工時(shí)采用打先導(dǎo)孔的方式確定樁深，確保樁基底部進(jìn)入弱透水層1.0m。 根據(jù)確定的施工工藝，進(jìn)行截滲墻施工，施工中按嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。 相交樁體施工間隔時(shí)間不宜超過24h，保證樁體有效搭接厚度不小于60mm， 使用的鉆頭應(yīng)定期復(fù)檢，其直徑磨耗量不得大于15mm。

在成樁后7d內(nèi)，采用輕便觸探器鉆取樁身土樣檢查樁體均勻情況與完整性，抽檢比例一般不低于2%。

在截滲墻墻體抽芯取樣，取樣高程分別位于砂層及其上部黏性土層， 分別進(jìn)行28d齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和水泥土水平滲透試驗(yàn)， 要求每層土至少3試樣?，F(xiàn)場(chǎng)取土，采用32.5R普通硅酸鹽水泥，按樁體水泥摻入比（15%）拌制土樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定水泥土的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)與滲透系數(shù)指標(biāo)，與抽芯取樣試驗(yàn)成果進(jìn)行比較。 采用探地雷達(dá)等試驗(yàn)方法，抽查截滲墻是否有異常部位或質(zhì)量缺陷處，每孔之間連接是否可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）砂壤土具有強(qiáng)度較高，抗沖條件較好等優(yōu)點(diǎn)，是良好的下臥層，但砂壤土滲透系數(shù)較高，抗?jié)B條件較差，當(dāng)水閘等建筑物基面直接與此類土接觸時(shí)，要注意閘基的防滲排水設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)閘基的滲透破壞。

（2） 多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻是目前水工建筑物地基處理常用的一種截滲技術(shù)， 具有工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，施工中通過多樁相連形成一道截滲墻，截滲效果顯著。

（3）截滲墻實(shí)際施工過程中一定要按照設(shè)計(jì)的指標(biāo)及技術(shù)要求進(jìn)行，施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到閘基的防滲效果，進(jìn)而影響整個(gè)水閘后期的運(yùn)行。

（4）王橋閘建成使用已有3年，水閘運(yùn)行期間效果顯著，蓄水庫(kù)容大為增加，滿足了周邊240hm2土地的灌溉要求，同時(shí)還為當(dāng)?shù)氐墓I(yè)和生活用水提供了保障。