反壓閘在萬(wàn)福低閘閘基滲控處理中的應(yīng)用分析

陳 會(huì)，肖 燁

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070)

修建于江河堤防線上的水閘，在滿(mǎn)足灌溉或排水功能的前提下，其防洪安全也是必須考慮的重點(diǎn)。其中，減小滲透變形對(duì)水閘及所在堤防工程安全的影響尤為重要。地基土體結(jié)構(gòu)在滲流作用下發(fā)生的變化，統(tǒng)稱(chēng)為滲透變形[1]；滲透變形對(duì)建筑物的破壞往往不可預(yù)見(jiàn)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，難以彌補(bǔ)。特別是建于粉砂地基上的水閘，因防滲設(shè)計(jì)不周致使發(fā)生滲透變形的事例屢見(jiàn)不鮮。萬(wàn)福低閘粉砂層分布廣且深，一旦發(fā)生管涌等滲透變形，閘基易形成疏松帶或空洞，輕則削弱水閘擋水功能，重則使水閘傾斜、斷裂、塌陷[2]。本文針對(duì)萬(wàn)福低閘粉砂地基狀況，在采用延長(zhǎng)水平滲徑、水泥土攪拌樁垂直防滲墻的基礎(chǔ)上，通過(guò)AutoBank軟件計(jì)算，分析對(duì)比有無(wú)反壓閘對(duì)萬(wàn)福低閘閘基滲控的處理效果。

1 萬(wàn)福低閘滲控分析

1.1 工程概況

萬(wàn)福低閘原址位于漢江左岸樁號(hào)125+690處，為穿堤自排水涵閘，主要排泄沉湖一帶漬水，系天門(mén)和漢川420 km2來(lái)水的總出口。原閘建設(shè)年代久遠(yuǎn)，由于基礎(chǔ)差、施工不良、沉陷等原因，為保障防洪安全，該閘于1985年封堵。封堵后，沉湖地區(qū)抗災(zāi)問(wèn)題日益突出，自排能力大幅下降。經(jīng)設(shè)計(jì)、批復(fù)，萬(wàn)福低閘重建工程于2019年開(kāi)始施工。該閘建基面主要為粉細(xì)砂層，且深層仍有粉砂分布，閘基防滲極為不利；加之近年來(lái)漢江汛情頻發(fā)，對(duì)重建后的萬(wàn)福低閘滲控能力提出了更高的要求。

1.2 地質(zhì)情況

工程區(qū)土層為第四系全新統(tǒng)(Q4)及上更新統(tǒng)(Q3)的沖、湖積物，土層成層性較好，厚度不均一，巖性變化不大。根據(jù)地質(zhì)鉆探成果，閘基自上而下分別為粉細(xì)砂、砂壤土等互層、粘土、壤土、粉砂等；粉細(xì)砂層分布穩(wěn)定，貫穿堤內(nèi)外，閘基以下最厚約3.0 m，以粉砂為主，細(xì)砂次之，粘粒含量小于3%，為中密、飽和狀；粉砂層呈稍密、飽和狀，成分以石英、云母為主，頂板高程-0.50～-3.45 m，鉆探未揭穿。相關(guān)地層參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 地基土體滲透變形參數(shù)

1.3 工程設(shè)計(jì)

萬(wàn)福低閘設(shè)計(jì)排水流量100 m3/s，為2級(jí)水閘，底檻高程19.50 m，孔寬5.0 m，共2孔。建基面粉砂層出露，防滲措施是本次重建的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。當(dāng)閘基為粉土、粉細(xì)砂、輕砂壤土或輕質(zhì)粉砂壤土?xí)r，閘室上游宜采用鋪蓋和垂直防滲體相結(jié)合的布置形式；垂直防滲體宜布置在閘室底板的上游端[3]；在滲流出口應(yīng)設(shè)置級(jí)配良好的濾層，防止?jié)B流出口處土體因滲透變形或流失而造成破壞。具體工程措施如下：

閘室長(zhǎng)15 m，前接90 m長(zhǎng)穿堤箱涵，閘室與箱涵間均設(shè)銅片止水，以形成不透水輪廓延長(zhǎng)水平滲徑。在閘室底板上游端設(shè)置水泥土攪拌樁防滲墻[4]，樁體直徑0.5 m，雙排梅花形套接布置，深度約8 m，有效厚度0.4 m，閘室兩側(cè)適當(dāng)延長(zhǎng)以防止側(cè)向繞滲。關(guān)閘擋水時(shí)的滲流出口位于箱涵前連接段底板，設(shè)排水孔，下設(shè)三層反濾料。

然而，閘基粉砂層分布較廣，且鉆探顯示深層仍有粉砂層分布，層底未揭穿，垂直防滲體并未完全截?cái)嗥錆B流通道。同時(shí)，近年來(lái)漢江汛情頻發(fā)，為進(jìn)一步避免建成后出現(xiàn)滲透險(xiǎn)情，充分保證萬(wàn)福低閘汛期防御洪水的安全裕度，考慮在堤內(nèi)增設(shè)一座配套反壓閘，汛期高水位時(shí)堤內(nèi)反壓閘前蓄水反壓，以減少萬(wàn)福低閘上下游水頭差，防止?jié)B透破壞對(duì)防洪安全產(chǎn)生影響。蓄水反壓是一種水平衡壓滲法，順應(yīng)并利用水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其工作特點(diǎn)是壓而不堵，滲透水流的通道不被堵塞，在滲透變形搶護(hù)中實(shí)用且有效[5-6]。

反壓閘與箱涵進(jìn)口相距約150 m，其間為連接建筑物及排水渠道。反壓閘底檻高程、孔口均與低閘同等設(shè)計(jì)。閘室前后設(shè)混凝土底板以實(shí)現(xiàn)自身防滲。

萬(wàn)福低閘閘下為漢江，所在堤防處設(shè)計(jì)洪水位為32.85 m。因水閘使用年限較長(zhǎng)，針對(duì)其穩(wěn)定及防滲的加固相對(duì)較難，充分考慮涵閘整個(gè)使用期的防洪安全要求，確定萬(wàn)福低閘設(shè)計(jì)防洪水位在堤防設(shè)計(jì)洪水位以上提高0.5 m，即為33.35 m。堤內(nèi)河側(cè)最低水位為22.92 m。為實(shí)現(xiàn)反壓效果，設(shè)計(jì)反壓水位應(yīng)大于內(nèi)渠側(cè)最低水位；由于內(nèi)河側(cè)排水渠頂高程26.50 m，預(yù)留1.5 m的水位超高，反壓閘閘前設(shè)計(jì)反壓水位取25.00 m。工程布置示意見(jiàn)圖1。

圖1 萬(wàn)福低閘及配套反壓閘布置示意圖

1.4 閘基滲流穩(wěn)定分析

計(jì)算采用二維滲流場(chǎng)有限元軟件AutoBank，該軟件在水工滲流計(jì)算方面針對(duì)性強(qiáng)，計(jì)算精度滿(mǎn)足要求[7]。分別對(duì)有無(wú)配套反壓閘情形下萬(wàn)福低閘閘基滲流穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)以能滿(mǎn)足閘基滲流實(shí)際水力坡降小于允許值為準(zhǔn)，即：

J≤J允

式中：J為實(shí)際水力坡降，滲流計(jì)算得出；J允為土層的允許坡降。

1.4.1 計(jì)算工況

閘址所在漢江段2021年汛期最高水位為32.43 m。

結(jié)合實(shí)際并根據(jù)相關(guān)規(guī)范，選取閘基滲流穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)較大的幾種水位組合進(jìn)行計(jì)算。外江水位分別考慮2021年汛期最高水位32.43 m、堤防設(shè)計(jì)洪水位32.85 m、涵閘設(shè)防水位33.35 m，內(nèi)河水位分別考慮無(wú)配套反壓閘情形的最低水位22.92 m、有配套反壓閘情形的設(shè)計(jì)反壓水位25.00 m，內(nèi)外水位分別組合共6種計(jì)算工況。

1.4.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各工況滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析，無(wú)配套反壓閘時(shí)，堤內(nèi)滲流水力坡降接近允許值，處于臨界狀態(tài)；表明對(duì)處于粉砂地基上的該閘而言，單一通過(guò)延長(zhǎng)滲徑防滲的效果并不理想，對(duì)此類(lèi)水閘宜采取多種防滲技術(shù)相結(jié)合的措施；配套反壓閘后，水力坡降一定程度上降低明顯，工程防滲效果增強(qiáng)。2021年萬(wàn)福低閘及反壓閘安全度汛，運(yùn)行狀態(tài)正常，與計(jì)算結(jié)果基本相符，可認(rèn)為配套反壓閘的滲控處理措施得當(dāng)有效。

需要注意的是，反壓閘削減萬(wàn)福低閘水頭差的過(guò)程，其本質(zhì)是將一部分水頭轉(zhuǎn)移到由其自身承受。因此，對(duì)反壓閘在設(shè)計(jì)反壓工況進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算水平段坡降0.0644，出口段坡降0.193，仍能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 結(jié) 語(yǔ)

1)滲透變形問(wèn)題對(duì)穿堤涵閘安全運(yùn)行影響較大，需根據(jù)涵閘具體情況采取針對(duì)性的措施，必要時(shí)可采用多種防滲加固技術(shù)相結(jié)合的方式。

2)萬(wàn)福低閘閘基粉砂層分布廣泛且深，水閘抵御高水位洪水時(shí)，延長(zhǎng)滲徑在一定程度上未能起到有效減少水力坡降的作用，水力坡降計(jì)算值接近允許值，處于臨界狀態(tài)；為充分保證其抵御洪水的能力，需考慮適當(dāng)?shù)臐B控輔助措施。

3)采取反壓措施后，萬(wàn)福低閘承受水頭得以減小，水力坡降明顯降低，各工況計(jì)算值均小于允許值，證明反壓閘在本工程滲控處理中效果較好。2021年漢江汛期，萬(wàn)福低閘與配套反壓閘安全度汛，狀態(tài)穩(wěn)定，表明計(jì)算結(jié)果符合本工程實(shí)際，也說(shuō)明采用的計(jì)算方法及土層物理參數(shù)適合本工程的情況。

4)反壓閘設(shè)置于渠道之上，自身能承受的水頭有限；采用反壓閘進(jìn)行滲控處理時(shí)，應(yīng)充分考慮其適用性，并確保其自身防滲安全。