粉细砂河床上的泄水闸设计

郭红亮马　瑞肖　艳

粉细砂河床上的泄水闸设计

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一、泄水闸基本情况

平原地区某干流上大型泄水闸的建筑物级别为1级，最大下泄流量约15000m3/s，挡水最大水头差7.15m。泄水闸共56孔，单孔净宽14 m，过流总宽784m，前缘总宽953m。闸室采用两孔一联整体式结构，闸段宽34m。闸底板高程29.5m，厚度2.5m，顺流向长度25m，建基面高程27m。闸墩顶部高程44.7m。

泄水闸采用底流消能方式，消力池长 29m，池深 0.5m，池底高程27.5m，尾部设消力槛，槛顶高程28.5m。消力池后接海漫、抛石防冲槽等设施。

二、粉细砂闸基的主要问题

闸基上层为粉细砂层，局部含泥或夹有淤泥质透镜体，平均厚度约25m；下层为砂砾石层，平均厚度30m。基岩埋深约55m。粉细砂结构松散，平均标贯击数为8击，孔隙比e一般在0.75～0.9之间，承载能力特征值为120kPa，内摩擦角26°。粉细砂闸基的主要问题为：

1.饱和砂土液化问题

工程区地震设计烈度为Ⅵ度。饱和粉细砂粘粒含量为6.3%～7.8%，采用多种判据综合判断，在地震条件下存在液化可能，液化深度主要在建基面以下12m以内。

2.防冲和渗透稳定问题

粉细砂中值粒径0.09～0.18mm，抗冲流速小（水深1m时其值为0.20～0.25m/s），泄水闸最大过闸单宽流量超过20m2/s，下游防冲问题突出。粉细砂允许渗流坡降为0.20～0.30，渗控要求高。

3.地基沉降量大

粉细砂层厚度大，结构松散，压缩模量小（13MPa），水闸沉降不满足对沉降量控制不超过15cm的要求。

三、泄水闸地基处理

地基处理的目的是控制沉降量和消除饱和砂土液化潜势。比较强夯法、振冲法和水泥土搅拌桩法后，初步选择采用搅拌桩法处理泄水闸地基。

水泥土搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、粘性土及无地下水流动的饱和松散砂土等地基。水泥土加固体可布置成各种形状，形成的复合地基能大幅度提高地基压缩模量，显著减小地基沉降。格栅式搅拌桩可以约束地震时地基的剪切变形，提高地基抗液化能力。

但用于该工程需解决两个关键问题：一是该法大多数是处理粘性软土，摩阻力较小，大面积用于处理摩阻力大的砂层的适用性和工效问题需解决；二是基坑中地下水位呈现漏斗形态，最大水力梯度约0.06，在有流动地下水的地基中能否保证成桩质量。通过室内和现场试验研究，证明搅拌桩适用于该工程，有流动地下水的条件下通过适当增加掺灰量能保证成桩质量。

试验后桩径选用600mm，桩长根据抗液化深度要求确定为12m，用沉降量控制要求进行校核，要求桩体28d抗压强度值不小于2.5MPa。

抗液化采取格栅式布置（桩间搭接150mm），格栅间距约为桩长的一半。格栅布置还兼顾闸室底板受力特点，与两孔一联结构相对应，分块尺寸为25m× 34m（顺水流向×横流向），每个分块内顺水流向布置五排桩，排间距分别约5～6m；横流向布置6排桩，中墩下布置2排，边墩下布置1排，闸孔中间部位布置1排，排间距分别为7.65m。此布置有利于减小底板中部的负弯矩。格栅内还布置4根单桩调整地基的均匀性。搅拌桩置换率约20%，桩总长约28万m。

施工前进行了室内配合比试验和生产性试验，确定水泥掺量为18%（标号为P.O42.5），水灰比1∶1，浆液密度1.51g/cm3，施工工艺为两沉两升，下沉和提升最大速度不超过0.67m/s，首次下沉和提升喷浆量为总量的60%，第二次循环为总量的40%，水泥浆压力不小于0.5MPa。

生产性试验也发现，粉细砂地基遇浆时自密性较强，容易产生板结，搅拌桩机在提升时阻力较大，一般链条式深搅机由于功率偏小、传动轴及连接八爪材质强度不足、提升能力有限而不能满足在粉细砂中施工，因此对设备要加以选择。泄水闸施工中选用了SPM-5Ⅲ型深搅机，对深搅设备钻头进行改进，由平面搅拌叶片改进成30°左右的倾斜叶片，并加焊了搅拌叶片，以减少在粉细砂层中的阻力。

四、泄水闸下游防冲

粉细砂粒径小、无粘性、抗冲能力低，水下休止角小，一旦出现冲刷则深度大、发展过程快、扩散范围大，溯源冲刷直接危及泄水闸安全，补救难度大。为确保工程安全，泄水闸采取柔性海漫水平防冲与地下连续墙垂直防淘相结合的防冲措施。

泄流经过底流消能后，出消力池水流紊动仍较剧烈，底部流速大，还必须设置海漫进一步消减剩余能量，调整流速分布，使水流接近天然流态，减轻对下游河床的冲刷。经计算和试验确定海漫长度为70m。按抗冲要求、作用不同将海漫分为刚性和柔性两部分，海漫前20m为刚性海漫，采用的是50cm厚的常规钢筋混凝土结构；后50m为柔性海漫。

柔性海漫起始断面高程28m，与末端防冲槽相接处高程25.5m，布置上向下游倾斜，坡度1∶20，以逐步增加水深，缓减流速，进一步消能同时调整流速分布。这部分海漫应具有一定柔性、透水性和表面粗糙性。常用海漫型式如堆石、干砌石、格宾海漫等为散粒体，没有整体性，出现局部损坏时流态恶化易向周边扩大，施工质量保证难度大。为此设计了嵌套式混凝土柔性海漫。从粉细砂河床表面自下而上，柔性海漫构造依次为土工布（400g/m2）、碎石垫层（厚度20cm，粒径2～4cm）、土工网（CE121）和嵌套混凝土块体。拼装后面积开孔率为26%。块体厚度为25cm，单块重量约79kg。块体强度等级为C20，采用干硬性混凝土挤压成型。经模型试验验证，其整体性优良，抗冲能力强。

柔性海漫抗冲能力强的前提为土工布、碎石垫层施工不出现缺陷，为确保出现局部损坏也不危及泄水闸主体的安全，阻止溯源冲刷，在海漫下游端齿槽下设置垂直防淘墙，墙体采用钢筋混凝土地下连续墙，混凝土强度为C30，墙顶与海漫通过钢筋连接。

垂直防淘墙设计防护深度依据模型试验成果概化确定。模型试验中未考虑土工布和碎石垫层所起隔离作用，模拟出现的施工缺陷。根据试验成果，柔性海漫出现整体性塌陷，中部最大塌陷深度为16.2m，刚性海漫与柔性海漫相接处塌陷深度为5.8m。概化取最大塌陷深度的一半即8.1m作为防淘墙的设计防护深度。

地下连续墙与刚性海漫的连接按铰接处理。按墙后冲刷达到设计防护深度后墙身能满足嵌固稳定要求，确定深度为12m，墙底高程为15m。墙厚及结构配筋按墙顶铰接的支护结构计算，墙厚60cm，墙体上下游两侧单宽分别布置5根直径18mm和22mm的钢筋。

五、泄水闸渗控及反滤保护

1.渗控设计

泄水闸采用搅拌桩处理地基，搅拌桩渗透系数可以达到i×10-6cm/s，但考虑垂直度控制误差，格栅下部搭接厚度保证较难，因此不计其对粉细砂渗透性的影响。

渗控设计经技术经济比较，采用塑性混凝土防渗墙垂直防渗为主、钢筋混凝土水平铺盖防渗为辅的防渗型式。水平铺盖长30m，厚50cm，底板与闸室平齐，兼起防冲作用。铺盖顺流向设有一道分缝，横流向分缝位置对应于闸孔正中，分缝长度17m，所有分缝处都设有铜止水。防渗墙设于闸室前端齿槽下，墙底高程10m，厚40cm，墙顶伸入齿槽内30cm，墙顶与齿槽间设有止水和沥青柔性接头。防渗墙技术指标为：抗压强度R28≥3MPa，弹性模量E28＜2500MPa，渗透系数K＜i×10-7cm/s，允许破坏比降［J］＞50。

2.反滤设计

粉细砂作为最容易发生渗透变形的土体，反滤设计尤为重要。反滤层设在渗流出口段的消力池、刚性混凝土海漫下面，总厚度65～75cm，从下到上分为三层：最下为粗砂层，厚30cm，对粉细砂进行反滤保护，是反滤层设计的关键层；往上是粒径1～2cm瓜米石，厚20cm；最后是粒径2～4cm碎石层，厚15～25cm。

为确保粗砂对粉细砂起到良好反滤保护作用，在消力池和海漫等渗流出口段部位对表层粉细砂现场取样18点，在粗砂来源河段取样4处12点，进行颗分和室内反滤试验研究。试验表明，天然粗砂对粉细砂能起到一定反滤保护作用，但效果还不够理想，筛除小于0.5mm以下颗粒后，反滤保护作用优良。根据试验成果，要求对粗砂进行冲洗筛分，控制小于0.5mm以下颗粒含量不超过2.5%。冲洗筛分宜结合采砂工作进行。瓜米石颗粒级配包络曲线根据太沙基反滤准则计算确定。

六、结语

该大型泄水闸主要特点是河床粉细砂层深厚，厚度大结构松散，压缩模量低，地基沉降量大；粉细砂粒径小，抗冲能力低，易渗透变形；粉细砂还存在饱和砂土液化问题。地基处理、下游防冲保护、渗控和反滤保护是泄水闸设计的关键技术问题。在试验研究的基础上，将搅拌桩用于大范围处理粉细砂地基取得成功。下游防冲保护为柔性海漫水平防冲与地下连续墙垂直防淘相结合，整体性好，具有安全冗余。以筛选的天然粗砂作为反滤料，反滤保护作用优良。泄水闸投入运用以来，各项监测数据表明运用情况良好■

（作者单位：1.长江勘测规划设计研究有限责任公司4300102.淮委治淮工程建设管理局233001）

（专栏编辑：顾梅）