浅析 水闸防渗与排水体系设计

高安仕钟恒昌秦 峰

一、概况

水闸是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，依靠闸门控制水流，具有挡水和泄水的双重功能，关闭闸门可以拦洪、挡潮、抬高水位，以满足上游取水或通航的需要；开启闸门可以泄洪、排涝、冲沙、取水或调节下游流量。我国水利工程建设中，水闸的应用十分广泛，仅淮河流域内现有各类水闸6000余座，其中大、中型水闸约1800座，在防洪除涝、农业灌溉、拦潮蓄淡、城乡供水、景观旅游、生态环境等方面发挥了巨大的作用。

上下游水位差的作用下，在水闸的闸基及两岸土体内产生闸基渗流和侧向绕流两类，闸基渗流属于有压渗流；绕过两岸连接结构的渗流具有自由水面（浸润面），属于无压渗流。闸基渗流对闸室底板产生向上的渗透压力，减小了闸室的有效重量，而两岸的绕渗，不仅对水闸岸、翼墙底面产生向上的渗透压力，而且会对墙背产生侧向水压力。闸基渗流和岸坡绕渗会导致水库漏水引起水量损失，渗透压力对闸室和两岸联接建筑物的稳定产生不利影响，更重要的是可能导致在闸基、岸坡以及渗流出逸处发生渗透变形，直接危害水闸的安全。

在渗透水流作用下，土体失去部分承载力及渗流阻力而产生的变形现象，称为渗透变形，闸基渗透变形分为管涌、流土、接触冲刷和接触流土等。渗透破坏是挡水、防渗工程在运用期及施工期遭受破坏或失效的主要原因之一。本文对水闸防渗体系设计中的渗流计算方法、防渗排水设施布置、地基防渗处理手段等问题进行探讨分析。

二、渗流计算方法

渗流分析目的是求得闸下渗透场的各渗透要素，如渗透压力分布、渗流出逸处的渗透坡降等，为选择合理的渗流控制措施及评价闸坝的安全可靠性提供必要的依据。土基上闸坝基础渗透压力的计算方法有理论计算法、近似计算法和电模拟试验法等。理论计算法只有在边界条件比较简单的情况下才能求解，而对防渗布置比较复杂的边界条件理论计算法很难获得精确的解答。电模拟试验法是比较精确的求解方法，但需要一定的时间和经费，不是所有工程都有条件采用的。近似计算法很多，有直线比例法(勃莱法和莱因法)、直线展开法、加权直线法、柯斯拉独立变数法、巴甫洛夫斯基分段法、丘加也夫阻力系数法、改进阻力系数法、流网法等。各种渗流计算方法的特点及适用范围如下：

（1）直线比例法(勃莱法和莱因法)，假定渗透水压力沿地下轮廊线的水头损失是均匀的，计算精度较差，特别是对于渗流进、出口段，不宜采用。

（2）直线展开法或加权直线法适用于地基条件不复杂、且闸基防渗布置比较简单的中小型水闸。

（3）柯斯拉独立变数法和巴甫洛夫斯基分段法计算精度虽较高，但计算很麻烦，较少采用。

（4）丘加也夫阻力系数法计算相对比较方便，计算精度比较高，早期采用较多。

（5）流网法，是流体力学法的一种图解法，流网由流线和等势线组成，相互正交。用流网法可以适用于各种情况，是工程中解决渗透问题的简单而有效的方法，一般也能得到较好的计算精度，适用于均质和非均质地基，不同的地下轮廓布置。

（6）数值计算法求解，随着计算机技术的发展，复杂的计算问题均可由计算机完成，对复杂土层地基上重要的水闸，应采用（如按拉普拉斯方程进行编程计算）数值计算法求解。

（7）改进阻力系数法，是由南京水利科学研究院在研究独立函数法、分段法和阻力系数法等方法的基础上改进提出的一种精度较高的近似计算方法，但不能解决非均质地基渗流问题。它将地下渗流通道沿程分作若干典型渗流段，根据渗流的连续性条件，首先计算出总的水头损失，然后计算各段的渗透水头损失和其他渗透要素。

目前，《水闸设计规范》推荐的渗流分析方法：岩基上水闸可采用全截面直线分布法，土基上水闸可采用改进阻力系数法或流网法，复杂土质地基上的重要水闸应采用数值计算法。实际设计工作中是根据设计深度要求采用渗流分析方法：直线比例法主要用于工程规划和可行性研究阶段初拟闸基防渗长度，初步设计和施工图阶段采用改进阻力系数法校验，对复杂土质地基或重要水闸应采用数值计算法校验。

三、防渗排水设施

闸基防渗布置采用防渗和排水相结合。防渗措施多布置在水闸上游一侧，用以延长渗径，布置需兼顾侧向绕渗；排水措施多布置在下游一侧渗流出口处，将渗流顺利排到下游。

1.防渗设施

防渗措施有铺盖、防渗墙和齿墙等。软基上水闸防渗设施有水平和垂直防渗设施两种，水平防渗措施一般布置在闸室上游水平防渗通常采用粘土铺盖或混凝土铺盖，一般布置在闸室上游，与闸室底板联合组成不透水的地下轮廓线，并在铺盖上游端和闸室下游布置一定深度的齿墙。垂直防渗通常采用灌浆、混凝土墙（抓斗成槽混凝土截渗墙、水泥土搅拌桩截渗墙、振动沉模混凝土截渗墙、高压喷射水泥浆截渗墙等）、板桩等措施，防渗效果较好，但施工相对复杂。砂性土地基应以垂直防渗为主，岩基上水闸防渗设施通常采用垂直帷幕灌浆。

2.排水反滤设施

排水设施有水平排水和垂直排水两种型式。水平排水位于闸基表层，比较浅且要有一定范围。垂直排水由一排或数排滤水井组成，主要是排除深层承压水。水闸防渗排水布置应根据闸基地质条件和上、下游水位差等因素，结合闸室、消能防冲和两岸连接布置综合分析确定。

排水体由透水性较强的大颗粒砂石料组成。土基水闸多采用平铺式排水体，为防止发生渗透变形，平铺式排水体在渗流进入处，应设反滤层。排水设施的上面是混凝土护坦时，应在护坦后面留排水孔。岩基上建闸，通常在护坦接缝和排水孔的下面，铺筑沟状排水体，纵横呈网格状排列。

反滤层是用2～3层粒径不同、经过选择的砂石料铺成，遇到粉土地基，甚至需铺4层。土工织物透水材料可起到排水过滤作用，在大规模施工或厚度受到限制时，土工织物取代粒状滤层是适宜的，设计要求同粒状滤层。

3.分缝止水

水闸需设缝以防止结构物因地基不均匀沉降和温度变形而产生裂缝，缝的间距约为10～30m，缝宽约2.0～2.5cm，使相邻结构物的沉降互不影响。有抗震要求时，缝宽将更大。凡有防渗要求的伸缩缝和沉降缝，均应设止水结构，止水分铅直和水平。止水材料和型式应满足防渗性能好、柔性大、适应变形能力强、不易锈蚀断裂等特点，常用材料有紫铜片、胶皮止水带和塑料止水带等。

4.连接建筑物布置

与土堤衔接的水闸，既要考虑沿底板的垂直截渗措施，还应考虑绕侧边墙面的水平方向防渗措施，是三向空间渗流问题。防渗设计需分析沿边墙渗流的水面高程及其压力、侧边绕渗对建筑物基底的扬压力影响和沿边墙底板的接触土面的渗透坡降会否超过临界值发生管涌破坏。

绕渗水流会使得防渗墙或帷幕等防渗措施对于砂基的截渗效果大减，做好下游排渗布局是减轻绕渗危害的重要措施，既可减小建筑物基底的扬压力和出渗坡降，也可降低下游侧岸边墙翼墙绕渗的地下水面，从而减轻侧岸陡坡滑塌的威胁。排水井是减轻绕渗水头的最简单措施，在翼墙外侧布置2～3个井通至下游尾水，可消除底板下等势线向下游弯曲的侧岸绕渗影响，使基底扬压力减小总水头的10%左右，出渗坡降减小约30%；同时，墙外填土的孔隙水压力也可基本消失，此种有滤层的排水井尚可结合作为绕渗水位观测井。

四、结语

如何使工程设计做到安全、经济与合理，始终是摆在设计人员和建设人员面前的一项重要的任务。在一些重大的水利工程建设中，有很多成功的工程建设、施工经验，对水利工程来说，渗流问题是关键，渗流安全成为工程设计、施工以及工程安全运行的重要因素，也是评价工程社会效益、经济效益、环境效益的重要内容。理解与运用水闸防渗体系设计中的渗流计算方法、防渗排水设施布置和地基防渗处理手段等问题，在水闸等水工建筑物建设中具有十分重要的实际意义