深厚砂性土地基大型水閘閘基防滲設計研究

羅金山，李凌鎬，鐘 樂，潘 松，李嘉明

（1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙，410014；2.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南長沙，410014）

0 引言

在水利工程中，水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物，應用廣泛，是修建在河道或渠道上利用閘門控制流量和調節(jié)水位的低水頭水工建筑物。由于水閘上游和下游的水位往往不一樣，存在水頭差，閘上游水可經過閘基向下游產生滲流運動。水閘防滲設計的任務在于研究滲流規(guī)律，確定控制滲流的防滲結構，避免或減少滲流的不利影響，保證水閘安全工作，并做到經濟合理。對于深厚砂性土地基而言，因砂性土性質松散、無粘聚力，滲透系數(shù)較大，在這樣的地基上新建水閘防滲設計尤為重要，一般采用水平防滲結合垂直防滲的方式來延長滲徑并降低滲流坡降。水平防滲措施一般為鋪蓋，常用的垂直防滲措施有板樁、灌漿帷幕、混凝土防滲墻等。在混凝土防滲墻技術發(fā)展的前期，墻體材料一般為普通混凝土，而21世紀以來，塑性混凝土也得到了普遍運用[1～6]。

本文以某深厚砂性土地基大型水閘為例，首先通過AutoBank 軟件對防滲墻不同深度方案進行滲流分析，隨后應用MIDAS 有限元軟件建立墻體及其周邊巖土體二維計算模型進行應力變形計算分析，最終選擇了經濟合理的防滲墻深度方案及防滲墻材料，本文提供的研究策略可供相關工程參考[7]。

1 工程概況

某水利樞紐（水閘）為Ⅱ等大（2）型工程，所在地區(qū)地震設計烈度為Ⅵ度。閘址軸線總長1 346.70m，從左岸往右布置有左岸段、泄水閘段、中間連接段、船閘段、右岸段。

泄水閘沿河床布置，總長752.8m，共設17 孔，由2孔寬凈75m 的大孔閘和15 孔凈寬30m 的常規(guī)泄水閘組成，泄水閘均為開敞式平底閘，堰型采用寬頂堰；泄水閘從左至右分為3 個區(qū)域：一區(qū)布置于河床左岸灘地，共8 孔，每孔凈寬30m，堰頂高程6.0m（1985 國家高程基準，下同），建基面高程-2.0m；二區(qū)布置于河床中部，共2 孔，單孔凈寬75m，堰頂高程6.0m，建基面高程0.0m；三區(qū)布置于河床右側深泓部位，共7 孔，單孔凈寬30m，堰頂高程6.0m，建基面高程-2.0m。一、二、三區(qū)閘室底板順河向長度均為46m，上游均設置20m 長鋼筋混凝土鋪蓋，閘室典型剖面見圖1。

圖1 泄水閘典型剖面圖

2 地質條件

泄水閘區(qū)覆蓋層厚度30.0m～49.2m，平均厚度為38.49m，泥質粉砂巖基巖面高程為-31.76m～-24.30m。強風化帶厚度為0.6m～3.0m，平均厚度為1.97m，強風化帶下限高程為-34.06m～-25.80m；弱風化帶上部厚度為2.0m～9.5m，平均厚度為5.86m，弱風化帶上部下限高程為-42.66m～-29.57m；揭露弱風化帶下部厚度為0.5m～10.5m，均未揭穿。泄水閘閘底板主要置于圓礫、礫砂之上，其滲透系數(shù)分別為1×10-1cm/s、5×10-1cm/s，閘基具強透水性。

3 閘基防滲設計

本工程上下游水位差為10.23m，閘基具有強透水性，單靠閘室底板難以起防滲作用，需考慮上游鋪蓋+垂直防滲相結合的防滲型式[8]。本工程為深厚砂性土閘基，考慮到高噴帷幕灌漿地面鉆桿的孔斜易造成孔底偏移進而影響防滲效果[9]，初步設計時垂直防滲選用簡單可靠、應用廣泛的混凝土防滲墻方案。

3.1 防滲墻深度設計

依據(jù)閘基地質參數(shù)，設計過程中選取了三區(qū)泄水閘作為典型計算斷面，采用AutoBank 軟件分別對泄水閘不設防滲墻方案，設10m、15m、20m 深防滲墻以及防滲墻伸入基巖1m 等5 個方案進行滲流分析計算。計算工況為泄水閘調控期控泄時的最不利運行工況，上游水位15.5m，下游水位5.27m，相應最大水頭為10.23m。閘基滲流計算模型及各防滲墻方案滲流水頭等值線計算結果詳見圖2～圖7；根據(jù)軟件后處理模塊提供的各方案的滲流水力坡降等值線圖，可讀取各段滲透坡降，結合滲透系數(shù)、過流斷面和滲流時間可確定各方案滲漏量，各方案滲流計算結果列于表1，表中水平段允許坡降值、出口段允許坡降值系根據(jù)《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）第6.0.4 條并結合地質條件綜合確定。

圖2 閘基滲流計算模型

圖3 閘基滲流水頭等值線（無防滲墻）

圖4 閘基滲流水頭等值線（10m 防滲墻）

圖5 閘基滲流水頭等值線（15m 防滲墻）

圖6 閘基滲流水頭等值線（20m 防滲墻）

圖7 閘基滲流水頭等值線（防滲墻伸入基巖1m）

根據(jù)計算結果，不設防滲墻及設置10m、15m、20m懸掛式防滲墻時，閘基出口段最大坡降均小于出口段允許坡降值，而水平段最大坡降均大于水平段允許坡降值，且滲漏量較大，不滿足要求。而設置防滲墻至基巖時，滿足滲流要求，且滲漏量小，因此選定的防滲墻深度方案為底部伸入相對不透水層即泥質粉砂巖1m。

3.2 防滲墻材料初選

防滲墻可考慮采用剛性（如普通混凝土、粉煤灰或黏土混凝土等）或柔性材料（如塑性混凝土、固化或自凝灰漿等）。本工程為大型水閘，施工期地下水位較高，工程區(qū)粉煤灰材料運距遠，且砂礫石粒徑局部較大，偏安全計，采用了常見的普通混凝土防滲墻方案與塑性混凝土防滲墻方案進行技術經濟比較，最終從中選定防滲墻材料。

普通混凝土防滲墻不受地下水位的影響，且擋水水頭高，但是須采用專門施工機械，進度較慢，成本較高。適用于各種土層及風化巖層、對防滲要求較高部位。

塑性混凝土防滲墻是在混凝土中摻入較多的膨潤土、黏土等材料的大流動性混凝土，與普通混凝土防滲墻相比，其強度及彈性模量較低，適應地基性能強，近年得到了快速推廣[10～12]。

3.3 防滲墻應力變形計算

采用有限元分析軟件MIDAS GTS 對深厚砂性土地基大型水閘防滲墻采用普通混凝土和塑性混凝土時的應力變形狀況進行計算，進而為普通混凝土配筋設計或塑性混凝土參數(shù)設計提供依據(jù)。

3.3.1 模型建立

因防滲墻沿軸線向可視作平面應變問題，故可簡化建立二維模型計算應力變形狀況。泄水閘二區(qū)與三區(qū)過渡段防滲墻深度最大，選取該處為典型計算斷面：該截面處防滲墻頂部高程為-0.7m，底部深入基巖1m，底部高程為-28.3m，深度方向全長H 為27.6m，寬度為0.6m；因防滲墻為薄壁結構，墻底已深入基巖，可適度減小模型整體高度，模型總高取1.75H 即為48.0m，上下游側土體寬度均取2H 即55m，模型總寬111.0m。模型中X 軸正方向為水流向，Y 軸正方向為豎直向上。防滲墻及土體等實體部分采用2D 平面應變單元，土體本構模型為修正摩爾庫倫模型，混凝土本構模型為彈性模型；防滲墻與土體不共用節(jié)點，其間采用界面單元連接并模擬相互擠壓摩擦作用。為便于研究防滲墻結構，將厚0.6m 的防滲墻劃分為兩排單元，防滲墻結構單元尺寸為0.3m；土層單元尺寸為0.5m；二維有限元模型共劃分29 579 個單元，包含29 935 個節(jié)點。模型上游、下游邊界固定X 向位移，底部按固端考慮，頂面為自由面；防滲墻由界面單元與土體形成接觸，不施加約束。荷載主要包括上游及下游水壓力、結構自重及頂部所受的鋪蓋重、土重及水重。上游與下游水壓力合力為均布荷載，大小等同上下游水頭差，壓力值為102.3kN/m，施加于防滲墻上游側；頂部受鋪蓋重、土重及水重，合力為均布荷載，大小為187.9kN/m，施加于防滲墻頂端及土體頂面。由此建立二維有限元模型[13～15]。

土層自上而下分別為圓礫層、強風化泥質粉砂巖、弱風化泥質粉砂巖。結構與土體均位于水下，以材料浮容重進行計算，模型中土層及混凝土材料主要參數(shù)見表2。

表2 模型材料參數(shù)

3.3.2 計算成果

通過對普通混凝土和塑性混凝土防滲墻墻體進行二維有限元應力變形計算，經過數(shù)據(jù)后處理，得到防滲墻上游側和下游側的應力并沿防滲墻高度分布曲線，見圖8～圖9；普通混凝土和塑性混凝土防滲墻水平及豎向位移并沿防滲墻高度分布曲線，見圖10～圖11。

圖8 防滲墻上游側應力曲線

圖9 防滲墻下游側應力曲線

圖10 普通混凝土防滲墻位移曲線

圖11 塑性混凝土防滲墻位移曲線

從計算結果來看，不管是上游側還是下游側，防滲墻上部均以拉應力為主，這主要是由于防滲墻豎向沉降變形受周圍土體摩擦限制導致，普通混凝土防滲墻上部最大拉應力為0.52MPa，塑性混凝土防滲墻上部最大拉應力為0.17MPa，均未超過混凝土設計抗拉強度；防滲墻中下部以壓應力為主：普通混凝土防滲墻模型中防滲墻最大壓應力為4.49MPa，塑性混凝土防滲墻模型中防滲墻最大壓應力為1.17MPa，均出現(xiàn)于防滲墻下部圓礫-泥質粉砂巖地層分界位置，分析主要是由于此處因土體與基巖彈性模量差異明顯，在上下游水頭壓力作用下受壓明顯；在臨近圓礫-泥質粉砂巖地層分界線的上部區(qū)域以及防滲墻底部嵌固端，普通混凝土防滲墻及塑性混凝土防滲墻應力分布有較大的區(qū)別——普通混凝土防滲墻在地層分界線上部區(qū)域局部受拉，最大拉應力值為0.37MPa，塑性混凝土防滲墻此處無拉應力；普通混凝土防滲墻底部嵌固端有較大的拉應力，最大拉應力值為1.46MPa，超過了C30 混凝土設計抗拉強度1.43MPa，塑性混凝土防滲墻底部嵌固端無拉應力。

普通及塑性混凝土防滲墻水平位移分布規(guī)律基本一致，在上層圓礫區(qū)存在最大水平位移，其值約2.7cm；由于塑性混凝土防滲墻的彈性模量低，在受壓時塑性混凝土防滲墻豎向位移較大，最大值約9.1cm，普通混凝土防滲墻豎向位移最大值為0.9cm。

3.4 防滲墻材料選定

根據(jù)應力變形計算成果可知，塑性混凝土防滲墻具有一定柔性，與土層位移協(xié)調效果較好，其整體應力狀態(tài)優(yōu)于普通混凝土防滲墻。因普通混凝土防滲墻局部區(qū)域拉應力超過了C30 混凝土設計抗拉強度，需對其配筋以限制裂縫發(fā)生，以免影響防滲效果。

本工程防滲墻成墻面積約2.2 萬m2，經測算，塑性混凝土防滲墻單價約為1300 元/m2，合價2860 萬元，C30 普通混凝土防滲墻單價約1400 元/m2，合價3080萬元，采用塑性混凝土可減少工程費用約220 萬元。

根據(jù)技術經濟綜合比選，防滲墻材料選定為塑性混凝土，其滲透系數(shù)不大于5×10-7cm/s，允許滲透坡降J＞100，28 天抗壓強度1MPa≤fcu≤5MPa（彈強比150～500），彈性模量800MPa～1 000MPa。

4 結語

為研究某深厚砂性土地基大型水閘工程的防滲設計方案，分別應用AutoBank 軟件和MIDAS 有限元軟件進行了滲流和應力變形計算分析，根據(jù)研究成果可知：

（1）不設防滲墻及設置10m、15m、20m 懸掛式防滲墻時，閘基出口段最大坡降均小于出口段允許坡降值，而水平段最大坡降均大于水平段允許坡降值，且滲漏量較大，不滿足要求。而設置防滲墻至基巖時，滿足滲流要求，且滲漏量小，因此選定的防滲墻深度方案為底部伸入相對不透水層即泥質粉砂巖1m。

（2）不管是上游側還是下游側，防滲墻上部均以拉應力為主，這主要是由于防滲墻豎向沉降變形受周圍土體摩擦限制導致，普通混凝土防滲墻上部最大拉應力為0.52MPa，塑性混凝土防滲墻上部最大拉應力為0.17MPa，均未超過混凝土設計抗拉強度；防滲墻中下部以壓應力為主：普通混凝土防滲墻模型中防滲墻最大壓應力為4.49MPa，塑性混凝土防滲墻模型中防滲墻最大壓應力為1.17MPa，均出現(xiàn)于防滲墻下部圓礫-泥質粉砂巖地層分界位置，分析主要是由于此處因土體與基巖彈性模量差異明顯，在上下游水頭壓力作用下受壓明顯；在臨近圓礫-泥質粉砂巖地層分界線的上部區(qū)域以及防滲墻底部嵌固端，普通混凝土防滲墻及塑性混凝土防滲墻應力分布有較大的區(qū)別，普通混凝土防滲墻在地層分界線上部區(qū)域局部受拉，最大拉應力值為0.37MPa，塑性混凝土防滲墻此處無拉應力；普通混凝土防滲墻底部嵌固端有較大的拉應力，最大拉應力值為1.46MPa，超過了C30 混凝土設計抗拉強度1.43MPa，塑性混凝土防滲墻底部嵌固端無拉應力。

（3）普通及塑性混凝土防滲墻水平位移分布規(guī)律基本一致，在上層圓礫區(qū)存在最大水平位移，其值約2.7cm；由于塑性混凝土防滲墻的彈性模量低，在受壓時塑性混凝土防滲墻豎向位移較大，最大值約9.1cm，普通混凝土防滲墻豎向位移最大值為0.9cm。

（4）本次采用二維簡化模型對防滲墻應力變形進行研究，土體本構模型采用的修正摩爾庫倫模型，混凝土本構模型采用的是彈性模型。有研究指出，塑性混凝土具有與土體相似的本構關系，本次未能就塑性混凝土采用與土體相似本構關系展開分析，下一步將進一步進行研究。