基于滲流對橡膠袋水閘的影響分析

摘 要：滲流對水工建筑物的穩(wěn)定性有著重要影響，但滲流對于土石壩等常規(guī)水工建筑物的研究已經日漸成熟。本文著重研究滲流對橡膠袋水閘閘室穩(wěn)定性、閘基抗滑穩(wěn)定性及過大的不均勻沉降的影響，同時可以利用滲流的滲透力方向提高閘基穩(wěn)定性。

關鍵詞：滲流；穩(wěn)定性；不均勻沉降；達西定律

中圖分類號：TV139.14 文獻標識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）10-0237-01

1 滲流對橡膠袋水閘影

從20世紀開始 ，大型水壩的建設成了社會進步和國家經濟發(fā)展的象征。70年代達到高潮，全球幾乎每天都有2、3座水壩建成。水閘是一個十分重要的組成部分，而滲流對水閘的穩(wěn)定性有著重要影響。水閘一旦出現(xiàn)因滲流影響而不能正常工作會導致嚴重后果。中國建造水閘的歷史悠久，春秋時期孫叔敖建造芍陂灌區(qū)，設立五個閘門引水。新中國成立后我國水閘建設風起云涌，并積累了豐富的經驗。水閘按其所承擔的主要任務可分為：分洪閘、節(jié)制閘、沖沙閘、擋潮閘、進水閘、排水閘等。按閘室的結構形式，可分為：開敞式、胸墻式和涵洞式。水閘正向施工裝配化、 結構輕型化、形式多樣化和遠動化方向發(fā)展，建造的新型水閘如灌注樁水閘、橡膠袋水閘、水力自控翻板水閘、浮云水閘等。尤其在我國20世紀中期運用高分子合成材料建造的橡膠袋水閘，于1957年我國建成了世界上第一座橡膠袋水閘。水閘對于擋水、泄水、調節(jié)主壩以及水電站水流單寬流量q有著重要意義，而滲流對水工建筑物的穩(wěn)定性有著重要的影響，作為擋水泄水功能的水閘一旦出現(xiàn)因滲流影響而不能正常工作會導致嚴重后果，特別是對于新型水閘技術運用尚不成熟，對一些微小尚待研究的因素（如滲流）的影響更應值得重視。

2 滲流對閘基穩(wěn)定性的影響

2.1 滲流產生影響機理

從20世紀開始，全世界已經建造數(shù)以萬計的大壩，其中許多失事的大壩是由于其中的某些水工建筑物失事造成的，尤其水閘的安全更應引起我們足夠的重視。水閘失事大多是由于地基的不均勻沉降及沉降差過大導致水閘不能行使正常的擋水、泄水功能，特別在洪汛期由于上游水頭過高，閘門承受正面水荷載過大，閘基承受揚壓力過大，這是由于滲流產生的滲透力與重力方向相反，造成顆粒間壓力減小，產生揚壓力使土體不穩(wěn)定造成水閘出現(xiàn)事故。對像橡膠袋水閘這樣的新型水工建筑物我們要充分了解其結構，閘基穩(wěn)定性影響因素和水閘抗滑穩(wěn)定性等。橡膠袋水閘由3部分構成：充脹膠袋的充排設備、橡膠壩膠袋、安全及觀測裝置及土建部分。滲流對水閘地基有以下不利影響：沿閘基的滲流對建筑物產生向上的壓力，減輕建筑物有效重量，降低閘身抗滑穩(wěn)定性；沿著兩邊岸坡的滲流對翼墻產生水平推力，可能會造成滑移；由于滲透力的作用，滲透力有可能會造成土的滲透變形；嚴重的滲漏將導致大量的水量損失；滲流可能使地基內可溶物質加速溶解（如膨潤土的主要成分蒙脫石有很好的親水性，會造成水化，使地基的承載力急劇下降）。

2.2 滲流對閘基的不均勻沉降的影響

水的滲流會導致地基浸水，特別是濕陷性黃土，滲流會引起地基發(fā)生濕陷，特別到了雨季由于泄洪量很大，上游水頭明顯增大，伴隨有地下滲流產生的滲流場，造成地基失穩(wěn)。揚壓力增大，它減小了水閘作用于地基上的有效壓應力，降低了閘底的抗滑力。同時，壩體內產生的揚壓力影響了壩體內的應力分布。又由于水閘閘基和水閘上下游地基使用材料不同，彈性模量，變形模量也不同，因此會有沉降差，同種結構由于各部分滲流照成應力分布不均勻，也會導致不均勻沉降。滲流計算的目的是為了確定滲流區(qū)內的滲流壓力，滲流迫降，滲流流速以及滲流量。

為減小不均勻沉降，需要采取一些措施：盡量減輕閘室結構重量，以減小閘底壓力；若相鄰水工建筑物重量差別太大且無法避免，宜先對重量較大的建筑物進行施工，當建筑物完工后，讓其自由沉降一段時間后再對重量較輕的施工；調整閘室的布置，盡可能避免臨近結構重量相差過大，盡可能使地基反力均勻分布，并且使其最大最小比值在容許值內。

2.3 水閘閘室的抗滑穩(wěn)定性分析

閘基滑移有4種類型：表層滑動、淺層滑動、混合類型、深層滑動?；瑒舆吔鐥l件是下游存在臨空面，閘基存在連續(xù)軟弱面等。

為了不使閘室發(fā)生有害滑移，必須使閘基具有一定的抗滑移安全系數(shù)。

為了提高水閘的抗滑穩(wěn)定性，需將閘門位置移向低水位一邊，適當加大結構尺寸，將水閘底板向高水位一邊加長， 加大閘室地板的齒墻深度。 加大鋪蓋長度或者在不損害防滲安全的前提下將排水設施向水閘底板靠近； 把鋼筋混凝土鋪蓋當做阻滑板，但閘室抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc<1.0，阻滑板應符合限裂要求。尤其是平原地區(qū)的水閘多數(shù)建在砂土或黏土地基上，抗滑穩(wěn)定必須處理好，一般在閘底板的上下游端設置齒墻增強其穩(wěn)定性?！端l設計規(guī)范》 規(guī)定：當水閘抗滑安全系數(shù)較小時可采用加大齒墻深度。

3 滲流對橡膠袋水閘的影響

橡膠袋水閘作為新型水閘，與常規(guī)水閘和啟閉機相比具有抗震性能好、結構簡單、工程造價低、施工期短等優(yōu)點。從20世紀60年代起，我國已建成360余座，日本已建成2500多座。橡膠壩適用于小型水壩，一般為0.5～3.0m，少數(shù)為4～7m?，F(xiàn)在已經在許多國家推廣運用，這也顯示了我國筑壩技術的實力。但是，由于化學高分子合成材料在橡膠袋水閘中的應用，這些橡膠材料非常容易老化，要經常維修。橡膠袋水閘的膠袋由上袋片和底墊片構成，上下游端錨固在閘底板上。

橡膠袋閘基防滲設施可仿照土石壩采用粘性土截水槽、混凝土防滲墻、灌漿帷幕等措施。在防滲設計上應盡量使閘底板土層堅實，如果閘底板土層為較薄軟土地基，可以換填砂性土或砂礫石，并在地板布置防滲與排水設施，向下增加透水性。

滲流對橡膠袋水閘的有利影響：閘基下有滲流時，如果滲流方向與重力一致，產生的滲透力能提高巖土體穩(wěn)定性，對閘基穩(wěn)定有利。故此要在閘基最下層鋪設中細砂，依次往上鋪設粗砂，砂礫石，卵石層。這樣鋪設是為了利用滲流產生的向下有利于閘基穩(wěn)定的滲流力。盡量利用滲流來加固地基，提高地基穩(wěn)定性，這樣會減少工程造價，產生經濟效益。