深層透水地基上水閘滲流安全分析與評(píng)價(jià)

羅居剛

(安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088)

水閘安全的影響因素主要有閘室穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、滲流安全等。滲流安全問(wèn)題在很大程度上影響著水閘的安全指標(biāo)。閘基土體在滲流作用下會(huì)引發(fā)流土、管涌、接觸沖刷等滲透變形。滲透變形對(duì)水閘工程安全的影響較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起水閘失穩(wěn)，特別是建在含有承壓水的粉砂層地基上的水閘[1]。滲透變形產(chǎn)生的因素主要是土體性質(zhì)和水力條件。水閘滲流安全評(píng)價(jià)主要是應(yīng)用滲流理論并根據(jù)閘基地質(zhì)情況及上下游水位條件等參數(shù)進(jìn)行滲流計(jì)算分析，得出閘基地下輪廓線各點(diǎn)土體的滲流壓力、水力坡降等，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)水閘滲流狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[2-4]。對(duì)水閘滲流進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的分析，可為合理選擇滲流控制措施、評(píng)價(jià)水閘的安全性提供可靠依據(jù)。在水閘滲流計(jì)算分析中，由于滲流場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)不同程度的非均質(zhì)及各向異性，邊界條件也較為復(fù)雜，因此采用解析求解的方法較為困難，常用的近似解法往往難以得到令人滿意的結(jié)果，而采用模型實(shí)驗(yàn)的方法，在實(shí)際操作中又會(huì)受到一些條件的限制，因此研究應(yīng)用先進(jìn)高效的滲流計(jì)算分析方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-6]。近年來(lái)，隨著有限元法在滲流領(lǐng)域的成功應(yīng)用，滲流數(shù)學(xué)模型得到了較大發(fā)展，為滲流計(jì)算分析提供了有力支撐[7-8]。本文以南潤(rùn)段進(jìn)(退)洪閘工程為水閘滲流分析模型，利用有限元滲流計(jì)算軟件AutoBANK，針對(duì)其地基土體性質(zhì)和水力條件，分別采用滲徑系數(shù)法、改進(jìn)阻力系數(shù)法和有限元方法，對(duì)該工程在防滲最不利工況下的閘基滲流和閘下深層地基滲流進(jìn)行了計(jì)算分析和安全評(píng)價(jià)。

1 工程概況

南潤(rùn)段進(jìn)(退)洪閘工程位于潁上縣南潤(rùn)段行洪區(qū)原下口門附近，是2007年淮河大水后根據(jù)淮河干流蓄滯洪區(qū)調(diào)整規(guī)劃實(shí)施的淮河流域?yàn)?zāi)后重建重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。工程為Ⅲ等中型，主要建筑物為3級(jí)，設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為600m3/s。閘室采用鋼筋混凝土開敞式結(jié)構(gòu)，共5孔，每孔凈寬8.00m，總寬47.22m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)15.50m。閘墩分縫，分二孔一聯(lián)及三孔一聯(lián)，底板頂高程21.00m，底板厚1.40m；閘墩頂高程29.50m，中墩厚1.20m，縫墩及邊墩厚均為0.90m，岸墻采用鋼筋混凝土空箱結(jié)構(gòu)，閘下湖內(nèi)側(cè)右岸設(shè)橋頭堡，閘室頂部布置公路橋和工作橋，工作橋上設(shè)啟閉機(jī)房。上下游翼墻采用鋼筋混凝土扶壁式及懸臂式結(jié)構(gòu)。閘室上游側(cè)(淮河側(cè))設(shè)20.0m長(zhǎng)鋼筋混凝土挖深式消力池(兼做鋪蓋)，池深1.50m，消力池后布置總長(zhǎng)30.00m混凝土海漫，后接長(zhǎng)15.00m防沖槽。工作閘門采用平面定輪鋼閘門，尺寸為8.2m×7.5m(寬×高)，配QP-2×250kN固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。

2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料，在地面以下30m勘探深度范圍內(nèi)，地下水類型為淺層松散類孔隙水，根據(jù)地層巖性和含水層特征可劃分出3層含水層和2層隔水層，其中第1含水層為潛水，第2、第3含水層為承壓水。各含水層中與工程較密切的為第1、第2含水層，第3含水層埋藏較深，對(duì)本工程基本不構(gòu)成影響。在場(chǎng)區(qū)內(nèi)，潛水主要接受河水及大氣降水補(bǔ)給，通過(guò)地面蒸發(fā)和向淮河排泄，受季節(jié)或枯水期、豐水期的影響，與淮河水有密切的水力聯(lián)系。由于第1、第2含水層之間無(wú)相對(duì)隔水層，故承壓水和潛水在勘察區(qū)內(nèi)相互影響較明顯。在勘探深度內(nèi)自上而下各土層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，閘址區(qū)場(chǎng)地土為中軟場(chǎng)地土類型，場(chǎng)地類別為Ⅲ類[9-10]。閘基及翼墻基礎(chǔ)持力層均位于第1層中粉質(zhì)壤土層，其具有弱透水性，承載力特征值為100kPa。第2層中、細(xì)砂層具有中等透水性，是閘基深層透水層。為提高地基的整體穩(wěn)定性，閘室、翼墻地基采用水泥土攪拌樁進(jìn)行處理。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)建議值

3 防滲排水體系

由于該進(jìn)(退)洪閘工程反向擋水時(shí)水位差較小，故防滲排水設(shè)計(jì)采用單向布置形式。閘室前端設(shè)置深11.00m的垂直防滲墻，閘基防滲由淮河側(cè)消力池、閘基防滲墻及閘底板三部分共同構(gòu)成。閘基防滲布置輪廓線見圖1，防滲長(zhǎng)度約79m。淮河側(cè)消力池(兼做鋪蓋)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度0.70m，消力池縱向設(shè)縫，并在分縫處及其與閘底板、翼墻底板等接縫處設(shè)水平止水。在閘基水平防滲范圍內(nèi)，閘室、岸墻和翼墻等分縫處設(shè)垂直與水平止水，以防側(cè)向繞滲。與上述防滲布置相對(duì)應(yīng)，在湖內(nèi)側(cè)消力池底板上布置排水孔，排水孔直徑100mm，呈梅花形布置，孔距2.00m，排水孔下設(shè)砂石反濾料。此外，為確保汛期淮河高水位時(shí)在砂層承壓水的頂托下閘基土層不致發(fā)生滲透破壞，在消力池底板下設(shè)直徑200mm不完全排水減壓砂井，井口位于反濾層內(nèi)，砂井底高程12.00m，間排距7m，共2排。

圖1 閘基防滲布置輪廓線 (高程單位：m，尺寸單位：mm)

4 滲流安全復(fù)核計(jì)算

4.1 計(jì)算工況及參數(shù)

該工程上下游水頭差最大的設(shè)計(jì)擋水工況，閘上淮河側(cè)水位27.92m，閘下湖內(nèi)側(cè)無(wú)水(地下水位20.50m)，最大水位差為7.42m。在勘探期間內(nèi)，測(cè)得閘基第二含水層承壓水位為20.50m，承壓水頭高度為6.5～7.0m。因此，該工程防滲最不利工況為上下游水頭差最大的設(shè)計(jì)擋水工況，最大水位差取7.42m。滲流計(jì)算中，考慮防滲墻不透水，計(jì)算參數(shù)見表1和圖1，據(jù)此分別計(jì)算該工況下水閘的閘基滲流、深層地基滲流的安全性。

4.2 閘基滲流復(fù)核計(jì)算

4.2.1 閘基防滲長(zhǎng)度復(fù)核

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[2]，土基上的閘基防滲長(zhǎng)度計(jì)算可采用滲徑系數(shù)法，防滲長(zhǎng)度應(yīng)滿足下式：

L≥CΔH

(1)

式中：L為閘基防滲長(zhǎng)度，即閘基防滲輪廓線水平段和垂直段長(zhǎng)度總和,m；C為允許滲徑系數(shù)，閘基為中粉質(zhì)壤土取7；ΔH為計(jì)算水頭,m。

根據(jù)水閘運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)擋水工況最大水頭差7.42m，該工況對(duì)抗?jié)B穩(wěn)定最為不利，按式(1)計(jì)算所需防滲長(zhǎng)度為51.94m。水閘閘基實(shí)際防滲長(zhǎng)度約為69m，大于計(jì)算所需防滲長(zhǎng)度，因此閘基防滲長(zhǎng)度滿足要求。

4.2.2 閘基抗?jié)B穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[2]，土基上的閘基抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算可采用改進(jìn)阻力系數(shù)法，閘基地下輪廓線見圖1。根據(jù)該水閘地基土類別，水平段水力坡降允許值可取0.15，出口段水力坡降允許值為0.40～0.50。考慮到該工程出口設(shè)置反濾層，允許水力坡降值可加大30%，調(diào)整后的水平段和出口段，水力坡降允許值分別為0.19和0.52～0.65。

4.2.2.1 地基有效深度Te計(jì)算

地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度L0=35.5m，垂直投影長(zhǎng)度S0=12.5m，L0/S0<5，地基為深層透水地基，經(jīng)計(jì)算，地基有效深度Te為17.5m。

4.2.2.2 分段阻力系數(shù)計(jì)算

a.進(jìn)、出口段

(2)

式中：ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S為板樁或者齒墻的入土深度；T為地基透水層深度。

b.內(nèi)部垂直段：

(3)

式中：ξy為垂直段的阻力系數(shù)。

c.水平段

(4)

式中：ξx為水平段的阻力系數(shù)；Lx為水平段長(zhǎng)度；S1、S2分別為進(jìn)、出口段板樁或者齒墻的入土深度。

4.2.2.3 分段水頭損失計(jì)算

各分段水頭損失值按下式計(jì)算：

(5)

式中：ΔH為上、下游水位差,m；hi為各分段的水頭損失值,m；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

4.2.2.4 進(jìn)、出口段修正

進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值按下式計(jì)算：

(6)

其中

(7)

式中：h0為進(jìn)、出口段的水頭損失值,m；h′0為修正后的水頭損失值,m；β′為阻力修正系數(shù)，當(dāng)計(jì)算的β′<1.0時(shí)，才進(jìn)行修正；S′為底板埋深與板樁入土深度之和,m；T′為板樁另一側(cè)地基透水層深度,m。

修正后水頭損失的減少值Δh按下式計(jì)算：

Δh=(1-β′)h0

(8)

4.2.2.5 抗?jié)B穩(wěn)定性復(fù)核結(jié)果

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016 )表6.0.4[2]，水平段和出口段的水力坡降值須小于規(guī)定的允許水力坡降值，底板水平段和出口段的水力坡降按下式計(jì)算：

(9)

式中：h′0、s′0分別為水頭損失值和底板水平段長(zhǎng)度或出口段垂直長(zhǎng)度,m。

按照上述公式進(jìn)行計(jì)算，閘基底板水平段和出口段水力坡降計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)允許水力坡降見表2。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，閘基水平段和出口段的水力坡降值均小于規(guī)范允許水力坡降值，閘基抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

表2 閘基底板水平段和出口段出逸坡降及相應(yīng)允許水力坡降值

4.3 深層地基滲流復(fù)核計(jì)算

閘底板底高程為19.60m，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，閘底板下第2層中、細(xì)砂呈中等透水性，滲透系數(shù)5.0×10-3cm/s，層底高程9.30～10.80m，為閘基深層透水層，對(duì)閘基抗?jié)B穩(wěn)定不利。采用有限元法對(duì)水閘深層地基滲流穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況取水頭差最大的設(shè)計(jì)擋水工況，閘基各土層滲透系數(shù)見表1。有限元建模及滲流計(jì)算結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 有限元網(wǎng)格

圖3 流速矢量圖

圖4 水力坡降等值線圖

根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2016)[10]，該閘基土體主要為壤土、粉質(zhì)壤土和砂土，流土為主要的滲透破壞形式。流土允許水力坡降值為臨界水力坡降與安全系數(shù)K的比值，K取1.5～2.0，臨界水力坡降計(jì)算式為

Jcr=(Gs-1)-(e+1)

(10)

式中：Jcr為土的臨界水力坡降；Gs為土粒密度與水密度之比；e為土的孔隙比。

根據(jù)表1中各土層參數(shù)值，臨界水力坡降和允許水力坡降值計(jì)算結(jié)果見表3。從圖4可知，水閘深層地基各點(diǎn)水力坡降值為0.02～0.46，均小于允許水力坡降值，因此，水閘深層地基滲流安全滿足規(guī)范要求。

表3 各土層水力坡降計(jì)算

4.4 滲流安全評(píng)價(jià)

根據(jù)以上復(fù)核計(jì)算結(jié)果，在工程防滲最不利的設(shè)計(jì)擋水工況下，水閘閘基實(shí)際防滲長(zhǎng)度大于規(guī)范要求的防滲長(zhǎng)度，閘基防滲長(zhǎng)度滿足要求；閘基水平段和出口段的水力坡降值均小于規(guī)范允許水力坡降值，閘基抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；閘下地基各點(diǎn)水力坡降值均小于規(guī)范允許水力坡降值，且閘基滲流場(chǎng)分布符合一般規(guī)律，水閘深層地基滲流安全滿足規(guī)范要求。綜上，根據(jù)《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 214—2015)[3]，綜合評(píng)定該水閘滲流安全等級(jí)為A級(jí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

a.本文結(jié)合潁上縣南潤(rùn)段進(jìn)(退)洪閘工程，分別采用滲徑系數(shù)法、改進(jìn)阻力系數(shù)法和有限元方法，復(fù)核計(jì)算了該工程防滲最不利的設(shè)計(jì)擋水工況下水閘的閘基防滲長(zhǎng)度、閘基水平段和出口段的水力坡降以及閘下深層地基各點(diǎn)土體的水力坡降值，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，閘基土體不易產(chǎn)生滲透破壞，綜合評(píng)定該水閘滲流安全等級(jí)為A級(jí)。

b.對(duì)于含砂性土透水層的水閘地基，通常需在閘室前端設(shè)置垂直防滲墻,這是深層透水地基防滲處理的一種有效措施。該類閘基土體滲流介質(zhì)和邊界條件較為復(fù)雜，利用滲流計(jì)算軟件AutoBANK，針對(duì)其地基土體性質(zhì)和水力條件建立了有限元模型，進(jìn)行滲流場(chǎng)有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果較之通常的近似解法更精確、可靠。

c.運(yùn)用有限元方法可以通過(guò)有限單元的精細(xì)劃分實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流場(chǎng)的精確模擬分析，能計(jì)算出滲流場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的滲壓水頭和滲透坡降值，相比改進(jìn)阻力系數(shù)法只能計(jì)算出地下輪廓線上各角隅點(diǎn)上的相應(yīng)值，有限元方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此被越來(lái)越多地應(yīng)用到滲流計(jì)算領(lǐng)域。但目前開發(fā)應(yīng)用的有限元滲流計(jì)算軟件基于的都是達(dá)西定律理論框架，對(duì)于在非達(dá)西滲流場(chǎng)中的應(yīng)用，尚需進(jìn)一步研究。