基于砂卵砾石闸基允许渗流坡降值取值的探讨

张丰良

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000)

1 砂卵砾石闸基允许渗流坡降值的计算

1.1 允许渗流坡降值的计算方法

水闸砂卵砾石闸基渗流出口处沿底板与地基土的接触面通常易发生渗透变形，进行闸基防渗布置时必须保证渗流出口段和沿闸基底板底面水平段的渗流坡降不得超过其允许值，而渗流坡降允许值可根据各种土沿着不同渗流方向出现渗流破坏的临界坡降来确定，此临界坡降则可采用近似计算法计算求得［1］。

1)根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487—2008 附录G 土的渗透变形判别的有关内容进行临界水力比降及允许水力比降的确定。

如果闸基土为砂卵砾石无黏性土，其渗透破坏形式为管涌，临界水力比降Jcr 值计算公式为:

式中:Jcr为临界水力比降;GS为土的颗粒密度与水的密度之比;n 为土的孔隙率，%;d5为占总土重的5%的土粒粒径，mm;d20为占总土重的20%的土粒粒径，mm。

按《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)附录G 第0.7 规定可采用下述公式计算:

式中:m 为安全系数，取1.5 ～2。

2)根据《水闸设计规范》SL265—2001 中6.0.5渗透变形判别的有关内容进行允许水力比降的确定。

如果闸基土为砂卵砾石无黏性土，其渗透破坏形式为管涌的允许渗流坡降计算公式为:

式中:［J］为防止管涌破坏的允许渗流坡降值;n 为土的孔隙率，%;d5为占总土重的5%的土粒粒径，mm;K为防止管涌破坏的安全系数，可采用1.5 ～2.0;df为闸基土的粗细颗粒分界粒径;Pf为小于df的土粒粒径的百分含量，%，(Pf值为计算出df值查该地基土试验颗分曲线图上对应的细颗粒粒径的百分含量)。

从以上2 种计算公式可以看出，在地质条件相同的情况下由于所采用的参数不同，计算值肯定存在差别，而且采用以上公式首先得确定其破坏形式为管涌。

1.2 砂卵砾石闸基渗透破坏形式的判别

渗透变形破坏形式一般可分为流土、管涌、接触冲刷和接触流土等。产生渗透变形的因素，主要是土的性质以及水的条件，研究渗透变形的目的，在于确定土体能够承受的渗流坡降。总体来讲，黏性土地基只可能出现流土，不会发生管涌，非黏性土即可能出现管涌，也可能出现流土。水闸地基若为砂卵砾石无黏性地基时，应首先判断可能发生的渗流破坏形式是流土破坏还是管涌破坏，然后计算允许渗流坡降值。

依以上两种计算公式对应的闸基土为砂卵砾石无黏性土来分别论述渗透破坏形式判别的方法。

1)根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487—2008 附录G 土的渗透变形判别的有关内容进行，若闸基以砂卵砾石无黏性土，其渗透变形破坏形式的判别方法。

首先确定细颗粒的含量:

级配不连续的土:级配曲线中至少有一个以上的粒径级的颗粒含量≤3%的平缓段，粗细粒的区分粒径df以平缓段粒径级的最大和最小粒径的平均粒径区分，或以最小粒径为区分粒径。

级配连续的土:粗、细颗粒的区分粒径为:

式中:df为粗细粒的区分粒径，mm;d70为小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径，mm;d10为小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径，mm。

其次依据df值查该地基土颗分曲线图上对应的细颗粒粒径的百分含量(Pf)，同时依据该地基土若为不均匀系数＜5 的土可判为流土;若为不均匀系数＞5 的土，采用以下方法判别:①Pf≥35%，为流土破坏;②25%≤Pf＜35%，为过渡性破坏;③Pf＜25%，为管涌破坏。

其中:Pf为土的细颗粒含量，以质量百分率计，%。

2)根据《水闸设计规范》SL265—2001 中6.0.5渗透变形判别的有关内容进行，若闸基以砂卵砾石无黏性土，其渗透变形破坏形式的判别方法。

首先闸基土的粗细颗粒分界粒径:

式中:df为闸基土的粗细颗粒分界粒径;d15、d85为闸基土颗粒级配曲线上＜含量15%、85%的粒径，mm;其次依据df值查该地基土颗分曲线图上对应的细颗粒粒径的百分含量(Pf)及闸基土的孔隙率来判别破坏形式:当4Pf(1 － n)＞1.0 时，为流土破坏;当4Pf(1 － n)＜1.0 时，为管涌破坏;n 为闸基土的孔隙率;Pf为＜df的土粒百分含量，%。

2 砂卵砾石闸基允许渗流坡降值取值的探讨

2.1 工程概况

红山嘴水闸除险加固工程是一个以灌溉为主的引水枢纽，控制灌溉面积约21.09万hm2，该工程等别属Ⅱ等大(2)型工程，其主要建筑物级别为2 级，主要建筑物由进水闸、冲沙闸、泄洪闸等建筑物组成。工程地质条件:考虑设计期间水闸必须运行，地勘取样在闸前及周围，进水闸及冲沙闸地基岩性为青灰色砂卵砾石及泥岩，砂卵砾石厚度4.5 ～5.0 m，孔隙率33.6%，比重2.7，泥岩强风化层厚0.5 ～1.2 m，弱风化层厚1.6 ～3.1 m。泄洪闸基础地基岩性为砂卵砾石及泥岩，砂卵砾石厚度2.4 ～5.3 m，孔隙率33.6%，比重2.7，泥岩强风化层厚0.5 ～1.2 m，弱风化层厚1.6 ～3.1 m，进水闸及冲沙闸闸基土颗分曲线图见图1，泄洪闸闸基土颗分曲线图见图2。

图1 进水闸及冲沙闸闸基土颗分曲线图

图2 泄洪闸闸基土颗分曲线图

根据实例工程地质条件及地质试验资料，分别进行砂卵砾石渗透破坏形式判别及闸基允许渗流坡降值的计算取值分析。

2.2 闸基渗透变形形式的判别

通过设计实践分别采用地质方法与水闸规范中的方法判别渗透破坏形式，结果见表1。

表1 闸基渗透变形破坏形式判别

计算结果表明，两种方法虽采用的粗细颗粒分界粒径确定方法不同，值也不同，但根据不同的判别公式确定的结果基本一致，说明两种方法都是可行的。

2.3 闸基允许水力比降计算

通过设计实践分别采用地质规范与水闸规范中砂卵砾石闸基允许渗流坡降值计算方法，结果见表2。

表2 闸基渗透变形允许渗流坡降值

计算结果表明，两种方法采用的计算公式不同，计算值比较接近，根据其他已建工程地质条件类似的的允许渗流坡降值取值，本实例工程的计算值相对偏小。地质专业根据地质规范计算的上表中允许渗流坡降值偏小，考虑到地质资料不一定具有代表性的因素，因此给设计提供了根据规范上发生管涌允许渗流坡降值的建议值(即无资料时规范提出的最小值)，未采用计算的偏小值。若设计初期采用上表中水闸规范计算的值，那么所采取的防止渗透变形措施工程投资将增大很多，必须采取相应措施:①布置防渗轮廓线，在渗流出口处打短板桩，或设置较深的齿墙;②在护坦或海漫的下面，渗流出口处布置滤层，增加地基的抗渗稳定性。

因此本实例首先采用了地质依据规范提供的建议值进行设计，同时考虑了因加固前未出现过渗透破坏，并依据该工程安全鉴定结论加固前闸基的抗渗稳定性满足要求，而且本次设计闸基防渗长度比加固前长;在施工开挖后因该工程闸室基础处实际砂卵砾石厚度为0.1 ～0.8 m，最终将砂卵砾石层全部清除到基岩面，并优化了闸基防渗长度，节省了工程投资。

3 结 语

在除险加固水闸设计中，允许渗流坡降值的采用，对水闸的工程造价关系极大，通过对红山嘴水闸除险加固实例计算所得的允许渗流坡降值偏小来进行合理的设计，总结如下:①首先采用地质依据规范提供的建议值作为初期设计值;②同时考虑加固前是否出现过渗透破坏这个因素;③在施工开挖后依据实际地基地质资料进行进一步的复核优化设计。

对允许渗流坡降值的采用还应结合水闸的功能特点、运用要求及其它具体情况也应综合考虑，选取采用合适的允许渗流坡降值，以此缩减闸室总长，降低工程投资。

［1］陈宝华，张世儒. 水闸［M］. 北京:中国水利水电出版社，2003:23 －30.