綜合截滲技術(shù)在東魚(yú)河大屯閘除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

王 琦

(菏澤市河湖流域工程管理服務(wù)中心，山東 菏澤 274100)

本文研究的東魚(yú)河大屯閘位于黃河沖積的平原部位，根據(jù)深度勘察結(jié)果，東魚(yú)河的地層包括十層(包含亞層)，其中，以壤土和砂壤土為主[1-2]。大屯閘位于東明縣大屯鎮(zhèn)游屯村南，東魚(yú)河樁號(hào)149+800處，控制流域面積 302 km2，由原菏澤地區(qū)水利局設(shè)計(jì)按河道3年一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)，東明縣水利局于1986年2月25日開(kāi)工建設(shè)。由于始建標(biāo)準(zhǔn)低，加之已運(yùn)行三十多年，鋼筋混凝土閘底板碳化情況較為嚴(yán)重，閘門鋼筋混凝土部分出現(xiàn)破損、開(kāi)裂的現(xiàn)象，啟閉機(jī)及電氣設(shè)備逐漸老化，存在安全隱患[3]。

為了消除大屯閘存在的上述安全隱患，提高防滲能力，本文提出了基于綜合滲透技術(shù)的東魚(yú)河大屯閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

1 地層分布規(guī)律及特征

東魚(yú)河大屯閘的地層分布存在一定的規(guī)律，場(chǎng)地分布的特征較為明顯，本文對(duì)大屯閘地層分布的規(guī)律及特征研究如下：

第1層多數(shù)為人工回填土，土體大部分呈褐色，人工回填土以砂壤土為主，其中，包括植物的根系。人工回填土的厚度為0.80～3.90 m；層底的標(biāo)準(zhǔn)高度為53.55～56.20 m；層底的埋入深度為0.80～3.90 m。

第2層為砂壤土，分布較為密集，土壤呈現(xiàn)潮濕飽和狀態(tài)，具鐵質(zhì)銹斑，夾壤土薄層。厚度1.30～4.40 m；層底的標(biāo)準(zhǔn)高度為50.92～52.75 m；層底的埋入深度為3.90～5.90 m，土層呈現(xiàn)中等透水性。

第3層壤土含鐵氧化物。土層的厚度1.40～2.20 m；層底的標(biāo)準(zhǔn)高度為49.12～50.60 m；層底的埋入深度為6.10～7.80 m。

第4層砂壤土，整體結(jié)構(gòu)中夾軟塑壤土薄層，多數(shù)為淺灰色形態(tài)。土體的厚度7.00～8.20 m；土體底部高度為41.92～43.04 m；埋入高度為14.20～14.80 m。

第5層壤土含少量有機(jī)質(zhì)。場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度0.80～2.00 m；層底的標(biāo)準(zhǔn)高度為40.45～41.94 m；層底的埋入深度為15.30～16.40 m。

第6層壤土含鐵氧化物及砂壤土薄層，局部偶見(jiàn)姜石，見(jiàn)鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)。場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度1.90～3.10 m；層底的標(biāo)準(zhǔn)高度為37.95～39.35 m；層底的埋入深度為18.00～18.80 m。

第7層砂壤土，夾壤土薄層。厚度0.80～2.00 m；層底的標(biāo)準(zhǔn)高度為35.95～37.55 m；層底的埋入深度為19.60～20.70 m。

第8層壤土含鐵氧化物及砂壤土薄層，局部偶見(jiàn)姜石，見(jiàn)鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)。厚度3.60～6.00 m；層底的標(biāo)準(zhǔn)高度為31.54～33.55 m；層底的埋入深度為23.90～25.90 m。

第9層砂壤土含鐵質(zhì)銹斑及壤土薄層。厚度1.40～2.70 m；層底的標(biāo)準(zhǔn)高度為28.92～30.50 m；層底的埋入深度為26.40～28.40 m。

第10層壤土未穿透，揭露厚度最深可達(dá)7.20 m。滲透系數(shù)建議值為3.0×10-5cm/s，具弱透水性。東魚(yú)河大屯閘各層土體分布的物理力學(xué)指標(biāo)，如表1所示。

表1 東魚(yú)河場(chǎng)地的土層物理指標(biāo)

由于東魚(yú)河位于較為平坦的地區(qū)，區(qū)域范圍內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。場(chǎng)地土層以下15.0 m深度內(nèi)，均勻分布著全新系列土層，砂壤土存在液化的可能性。

2 基于綜合截滲技術(shù)的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的東魚(yú)河大屯閘，在堤壩上游兩岸的護(hù)坡處以及下游的漿砌石護(hù)坡處，設(shè)置除險(xiǎn)加固裝置。

東魚(yú)河大屯閘整體的除險(xiǎn)加固裝置采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用灌注模式的樁法，在東魚(yú)河原始部位改建管理用房，結(jié)合綜合截滲技術(shù)，設(shè)計(jì)東魚(yú)河大屯閘的除險(xiǎn)加固工程。

2.1 設(shè)計(jì)綜合截滲墻體性能指標(biāo)

在設(shè)計(jì)東魚(yú)河大屯閘的除險(xiǎn)加固工程時(shí)，將軸線設(shè)置在大壩迎水坡的堤壩2.0 m處，軸線的分布方向呈現(xiàn)平行方向，總體軸線長(zhǎng)度范圍在2450～2870 m之間。截滲墻的整體高程達(dá)到巖石的頂面，截滲墻的厚度設(shè)計(jì)不小于155 cm。采用直徑較小的攪拌樁機(jī)，在大屯閘的放水閘部位連接樁機(jī)，充填灌漿。

在設(shè)計(jì)除險(xiǎn)加固工程時(shí)，選取BMT-12B型號(hào)的小直徑截滲樁機(jī)，依據(jù)堤壩的地質(zhì)條件與要求，在施工過(guò)程中不需要開(kāi)槽操作，受降雨量以及環(huán)境條件的影響較小。將綜合截滲墻體與大屯閘防滲體之間進(jìn)行連接，設(shè)置樁機(jī)的主體部分深入不透水層的深度，如果透入水層的深度過(guò)深，對(duì)堤壩的防滲體的應(yīng)力作用存在不良影響。因此，本文設(shè)計(jì)的不透水層的深度范圍在0.25～2.25 m之間。基于綜合截滲體的滲透作用，堤壩的防水性能取決于化學(xué)反應(yīng)作用以及機(jī)械反應(yīng)的侵蝕作用，以上兩種反應(yīng)作用與水力的梯度存在很大的聯(lián)系。

本文在設(shè)計(jì)綜合截滲墻體的性能時(shí)，根據(jù)堤壩的水力梯度，明確截滲墻體的具體厚度，如式(1)：

δ=H/Jp

(1)

式中：δ為截滲墻體的具體厚度，m；Jp為綜合截滲墻體允許的最大水力梯度值，取50～100；H為截滲墻體的實(shí)際厚度,m。在設(shè)計(jì)綜合截滲墻體的性能指標(biāo)時(shí)，應(yīng)用最多的為綜合滲透系數(shù)K，取值結(jié)果根據(jù)具體的除險(xiǎn)加固工程情況以及截滲方法確定。一般情況下，在土石壩的截滲方法中，K的取值應(yīng)當(dāng)小于1×10-5cm/s；在混凝土的截滲方法中，系數(shù)應(yīng)當(dāng)小于1×10-9cm/s，綜合截滲系數(shù)還受到水泥多少的影響，當(dāng)水泥的量過(guò)多，約占堤壩的8.25%時(shí)，系數(shù)設(shè)置在1×10-5cm/s左右即可。本文設(shè)計(jì)的綜合截滲墻體的系數(shù)指標(biāo)，如表2所示。

表2 綜合滲透墻體系數(shù)指標(biāo)

如表2所示，為本文設(shè)計(jì)的綜合截滲墻體的各項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)，對(duì)于大屯閘的除險(xiǎn)加固工程實(shí)施，提供重要的性能參數(shù)依據(jù)。

2.2 除險(xiǎn)加固節(jié)制閘設(shè)計(jì)

節(jié)制閘的組成部分較多，堤壩的壩坡穩(wěn)定性較差，采用作用力的圓弧法計(jì)算最大堤壩斷面。在堤壩蓄水位正常且穩(wěn)定的情況下，加固堤壩的最高斷面，計(jì)算堤壩斷面的滲流穩(wěn)定情況，如式(2)：

(2)

式中：H1為堤壩斷面上游的水位，m；H2為堤壩斷面下游的水位，m；L為綜合截滲直徑長(zhǎng)度，m。設(shè)置節(jié)制閘的防滲體為砂黏土填筑，含有較深厚的砂礫石層，經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算，在堤壩軸線位置布置混凝土防滲墻，鋪設(shè)長(zhǎng)度為55 m的砂礫層。

在截滲墻底嵌入風(fēng)化花崗巖，以水泥作為截滲墻的固化劑，設(shè)置綜合截滲墻體總長(zhǎng)為725 m。采用露頂式定輪鋼閘門，將閘門的主梁轉(zhuǎn)化為堤壩截面的組合梁。設(shè)計(jì)節(jié)制閘的啟閉機(jī)容量，經(jīng)過(guò)高度載荷作用后，閘門具有自動(dòng)控制功能。大屯閘的負(fù)荷通常情況下為3臺(tái)配套電動(dòng)機(jī)，采用雙重電源供電。

采用分布式控制節(jié)制閘閘門，監(jiān)控集控站和閘門裝置，設(shè)計(jì)每臺(tái)節(jié)制閘監(jiān)控設(shè)備控制1孔閘門，通過(guò)閘門之間的通訊總線實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘安全管理。設(shè)計(jì)采用正循環(huán)方法進(jìn)行，不允許采取加深鉆孔深度的方法代替清孔。施工前應(yīng)確定灰漿泵輸漿量、設(shè)備提升速度等施工參數(shù)，保證堤壩表面的完整性，清除多余的障礙物，保證鉆具中心和樁位中心重合。

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于綜合截滲技術(shù)的東魚(yú)河大屯閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的有效性，選取堤壩中的部分區(qū)域進(jìn)行防滲效果試驗(yàn)分析。根據(jù)大屯閘加固堤壩的地形條件，選擇50+100、55+550、63+100三處較為典型的堤壩斷面，在堤身處鋪設(shè)復(fù)合土，設(shè)計(jì)綜合截滲墻，對(duì)三處堤壩斷面進(jìn)行滲流計(jì)算。依據(jù)達(dá)西定律，采用三維有限差分法，進(jìn)行大屯閘地下滲流的模擬計(jì)算。通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算堤壩的滲流流場(chǎng)坐標(biāo)、滲流量等參數(shù)，水泥土的截滲墻系數(shù)取值5×10-6cm/s，復(fù)合土的系數(shù)取值5×10-10cm/s，獲取到的堤壩土層計(jì)算指標(biāo)參數(shù)，如表3所示。

表3 三處堤壩斷面土層計(jì)算指標(biāo)參數(shù) cm·s-1

如表3所示，為本次試驗(yàn)的堤壩斷面土層截滲指標(biāo)參數(shù)。基于截滲指標(biāo)參數(shù)，對(duì)三處堤壩斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，將堤壩斷面的現(xiàn)狀與采用本文提出的綜合截滲技術(shù)后的滲流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 滲流計(jì)算結(jié)果對(duì)比

如表4的滲流計(jì)算結(jié)果所示，試驗(yàn)選取的三處大屯閘堤壩斷面目前出逸點(diǎn)的最大滲透坡降較大，高于堤身允許的滲透坡降，無(wú)法有效地進(jìn)行東魚(yú)河的防滲工作。通過(guò)本文提出的綜合截滲技術(shù)處理后，出逸高度、滲流量與最大滲透坡降均有大幅度地下降，滿足大屯閘滲流穩(wěn)定的要求，能夠達(dá)到除險(xiǎn)加固的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)堤壩的特征與分布規(guī)律，基于堤壩防滲的要求與設(shè)計(jì)原則，確定具體的截滲方案，提出的基于綜合截滲技術(shù)的東魚(yú)河大屯閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，本文提出的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)能夠有效地降低堤壩斷面的滲流量、滲降坡度以及出逸高度，滿足大屯閘滲流穩(wěn)定的要求，達(dá)到除險(xiǎn)加固的目的。