粉砂土地基水閘懸掛式防滲墻滲流分析

（江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司 南京 210029）

1 引言

防滲排水設計是水閘工程設計的重要內(nèi)容，滲流安全是水閘工程安全運行的基礎。砂性土、特別粉砂土地基上的水閘最容易發(fā)生滲流變形[1]，影響水閘安全。在粉砂土地基上興建水閘，通常采用鋪蓋和垂直防滲體相結合的防滲布置形式，用來延長滲徑，降低閘基平均滲流坡降[2]。某水閘位于江邊，承擔雙向水頭，粉砂土地基，工程建成運行17 年后，出現(xiàn)較明顯的滲流破壞險情。本文采用Autobank 有限元軟件對水閘工程進行滲流復核，分析出險原因，為工程設計提供參考。

2 工程概況

2.1 工程布置

水閘位于長江通江河道上，是一座具有灌溉、排澇、擋洪等多種功能的水工建筑物；共5 孔，每孔凈寬6.0 m，閘孔總凈寬30.0 m；承擔雙向水頭，內(nèi)河蓄水期最大水頭差5.36 m，長江擋洪期最大水頭差3.7 m。

閘室上（內(nèi)河側）下游均設消力池、海漫及防沖槽，上游翼墻采用鋼筋混凝土扶壁式擋土墻，下游除第一節(jié)翼墻采用空箱扶壁擋土墻外，其余為扶壁式擋土墻。閘室共3 塊底板，其中中間3 孔一塊底板，兩邊孔各一塊底板；閘室邊墩外設鋼筋混凝土空箱岸墻。閘室、空箱岸墻及左側（面向下游）上游第一節(jié)翼墻采用素混凝土換填基礎，左側下游第一節(jié)翼墻采用預制方樁基礎。閘基輪廓線采用水平鋪蓋與垂直板樁相結合的布置形式，利用上、下游消力池形成不透水護坦，在閘室底板下四周，上、下游第一、二節(jié)翼墻底板下施打鋼筋混凝土防滲板樁，板樁長5.0m，樁厚0.25m，樁底高程-7.8m。

2.2 工程地質(zhì)

閘址處地質(zhì)條件較復雜，閘室、岸墻及上下游第一節(jié)翼墻底板持力層為粉砂夾壤土（土層④），其下為壤土夾粉砂（土層⑤）、粉砂夾壤土薄層（土層⑥）。土層④粘粒、粉粒、砂粒含量分別為5.9%、46.8%、47.3%，水平向滲透系數(shù)為2.58×10-4cm/s。土層⑤粘粒、粉粒、砂粒含量分別為10.6%、57.6%、31.8%，水平向滲透系數(shù)為3.24×10-6cm/s。土層④由右岸向左岸逐漸加厚，右岸層底高程-6.6～-8.0m，左岸層底高程-12.0～-15.0m。閘室垂直水流向地質(zhì)剖面如圖1 所示。

3 沉降變形情況

3.1 施工期沉降觀測

水閘自2002年12月29日開始施 工，2003 年12月20日進行竣工驗 收。從2003 年5月10日 至12月6日對水閘主體結構的高程進行了觀測，觀測范圍包括：閘墩12 個測點（上 游 側0～5，下 游 側6～11，上游左側角點為0#）、上游左側翼墻4 個測點（上1～上4）、上游右側翼墻4 個測點（上5～上8）、下游左側翼墻6 個測點（下1～下6）、下游右側翼墻6 個測點（下7～下10）。觀測結果如表1 所示。

圖1 閘室垂直水流向地質(zhì)剖面圖

由表1 可知，施工結束后，閘室3 塊底板沉降總體上是均勻的，累計沉降值2.3～4.6 cm，右邊孔（測點5、6 與10、11）大于中孔（測點3、4 和8、9）及左邊孔（測點0、1 與6、7），右邊孔邊墩沉降值最大，為4.6cm。上下游翼墻累計沉降值2.9～7.1cm，最大值出現(xiàn)在下游右側第一節(jié)翼墻首端（測點下7），該節(jié)翼墻底板下為土層④，未進行地基加固。最大不均勻沉降差位于右邊孔邊墩與下游右側第一節(jié)翼墻首端，為2.5cm（測點11 與下7）。

3.2 出險情況

2019 年11月14日，管理人員發(fā)現(xiàn)啟閉機房工作橋右縫墩出現(xiàn)張大現(xiàn)象[3]，實測縫寬5.7cm（該處縫墩2014 年、2017 年測得縫寬為4.4cm），至2020年1月19日達到6.8cm。期間，閘墩頂部右縫墩縫寬由4.8cm 加大為6.0cm，且左高右低，高差約2cm，右邊孔呈后仰狀；左縫墩縫寬由4.7cm 加大為5.0cm，下游消力池尾段排水孔位置和護底施工降水井位置（施工結束后未封閉）發(fā)現(xiàn)較明顯冒泡或冒渾水現(xiàn)象。下游右側第一節(jié)翼墻與右邊孔邊墩沉降差4.0cm，較完建期增加1.5cm?？傮w而言，右邊孔變形大于左邊孔。

4 Autobank 有限元滲流分析

該閘建成運行17 年，運行過程中雖未進行系統(tǒng)觀測，但總體上看運行期沉降較小，發(fā)生的沉降突變對閘體安全構成不利影響，初步分析是滲流破壞，為進一步確定破壞原因，采用二維有限元滲流分析模型對工程防滲安全進行復核。對照施工記錄，施工過程中閘室、消力池四周共布置降水井16 口，間距15.0 m，內(nèi)徑0.3 m，井深17.5 m，井底高程-18.5 m，位于土層⑤中，施工結束后未進行封閉。

表1 節(jié)制閘施工期累計沉降觀測表

采用Autobank 軟件建立閘基二維穩(wěn)定滲流分析模型[4]，分析范圍包括閘室底板、上下游消力池、混凝土護坦、降水井、漿砌石海漫；深度范圍自閘底板至土層5 層底。計算區(qū)域共劃分為60607 個網(wǎng)格單元。

分別計算擋洪期、蓄水期最大水頭差兩種工況。根據(jù)土層④自右向左層厚加深的特點，對右、中、左三塊閘底板下滲流分別進行計算。提取滲流量q（m3/d），閘室底板下水平向最大、最小和平均水力坡降J1max、J1min、J1av，閘室范圍防滲樁下土層④、⑤接觸面上水平向最大、最小和平均水力坡降J2max、J2min、J2av進行分析。計算結果見表2。

根據(jù)計算結果可以發(fā)現(xiàn)，各工況下閘室底板下水力坡降0.002～0.069，平均值0.020～0.035，均小于允許值0.05～0.07，滿足粉砂土地基的允許水平坡降要求。閘室范圍防滲板樁下部土層④與土層⑤之間水力坡降，蓄水工況為0.059～1.12，平均值為0.114～0.589，擋洪工況下為0.043～0.804，平均值為0.083～0.423，大部分大于粉砂土地基的允許水平坡降。同時還可以發(fā)現(xiàn)，板樁下部粉砂土層厚度越小，板樁下兩土層間水平坡降越大，且上下游板樁間分布越不均勻；隨著粉砂土層厚度的增加，板樁下兩土層間水力坡降相應減小，且分布也越均勻。

5 滲流破壞原因分析

（1）通過計算發(fā)現(xiàn)，閘室底板下水力坡降滿足要求，但因防滲板樁未能全部截斷粉砂層，造成板樁間下土層④與土層⑤接觸面水力坡降較大，閘室右邊孔處土層④厚度較薄，防滲板樁樁尖下僅厚0.2m，水力比降達1.12，遠大于土層④的允許坡降，由于土層④與土層⑤之間滲透系數(shù)相差近100 倍，可以認為兩土層接觸面存在接觸滲流的可能。

表2 各工況滲流計算結果表

（2）該閘承受雙向水頭，施工降水井在施工結束后未進行封閉，降水井外的濾層在雙向水頭作用下也容易流失，從而可能形成滲流通道并將土體顆粒帶走，導致土體流失而出現(xiàn)沉降變形。水閘安全鑒定期間在右邊孔閘室部位進行了鉆探，鉆探提示在閘底板下高程-7.25～-7.55m 處發(fā)現(xiàn)土層④-1，相對于原設計為新增土層，該土層厚0.2～0.4m，為淤泥質(zhì)壤土夾砂壤土，壤土多為流塑狀，局部為軟塑狀，砂壤土為松散狀，間接說明接觸滲流的存在。

（3）因土層④層底自右向左降低，即防滲板樁下粉砂土層自右向左加厚，土層④與土層⑤間的水力坡降也相應減小，故北側滲流破壞重于南側，這與現(xiàn)場的沉降變形觀測結果是一致的。

6 結語

粉砂土地基上水閘防滲采用鋪蓋與垂直防滲體布置，當防滲體處于懸掛狀態(tài)時，除復核閘底板水平坡降是否滿足要求外，對防滲體下部不同土層間的接觸滲安全也要進行復核，必要時可以調(diào)整垂直防滲體長度，盡量截斷粉砂層，確保防滲安全。