粉砂地基上水闸防渗设计案例分析

陈格君　管玲玉

摘  要：下沙地区的地基土中含有较厚的粉砂层，且场地周边有鱼塘，需做好充分的防渗措施。本案经地质勘探后运用改进阻力系数法对三号大堤北闸进行渗流稳定计算，选取高压旋喷桩提高防渗能力。水闸建成后通过位移监测对防渗效果进行分析，并对暗塘部位采取防渗补强措施。

关键词：渗漏;水闸;改进阻力系数法;高压旋喷桩

中图分类号：TV66         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）29-0096-02

Abstract： The foundation soil in Xiasha area contains thick silt layer， and there are fish ponds around the site， so it is necessary to take adequate anti-seepage measures. In this case， after geological exploration， the improved resistance coefficient method is used to calculate the seepage stability of the north sluice of No. 3 embankment， and the high pressure rotary jet grouting pile is selected to improve the anti-seepage ability. After the completion of the sluice， the anti-seepage effect is analyzed by displacement monitoring， and the anti-seepage and reinforcement measures are taken to the hidden pond.

Keywords： leakage; sluice; improved resistance coefficient method; high pressure jet grouting pile

1 概述

粉砂是含有砂土颗粒的土，且具有一定粘性，颗粒间无粘聚力，性质松散。渗透破坏是建设在砂性土地基上的水闸面临的主要问题之一。[1]

管涌和流土是渗透破坏的两种主要形式，它直接影响着土体的稳定，足以导致水闸破坏。从水闸建筑物的建设程序上讲，无论是从设计方面，还是从施工方面，对水闸闸基防渗的重视程度很重要。[4]

水闸的防渗排水设施通常有闸前混凝土铺盖，闸后消力池，在满足闸基渗径要求的情况下设置排水孔释放扬压力，还可以通过布置防渗铺盖、防渗墙、防渗帷幕等措施，来降低渗透压力，减小渗透破坏的风险。

2 工程概况

三号大堤北闸（以下简称“水闸”）位于下沙三号大堤护塘河下游，主要功能为防洪排涝、配水。主要工程任务为拆除老闸，原址重建水闸。

水閘防洪标准为20年一遇，工程等级为Ⅲ等，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。水闸为2孔，单孔净宽15m，闸门高度3.5m，闸底板高程2.0m。

闸门采用可倾斜调节闸门，为整体坞式结构，闸室顺水流方向长15m，垂直水流长度47m。

拟建场地地貌单元属冲海积平原，类型简单，地形起伏不大。地质勘察的最大勘察深度为35m，根据场地土的物理力学性质，可将勘探深度范围内地基土分为3层7亚层，自上而下分述如下：

①1素填土：灰黄色，稍湿，松散。以粉土为主，含碎石、块石及少量植物根系。硬物质含量30～40%，直径2～15cm不等。三号大堤绿化带区域揭示。层顶标高5.75～5.82m，厚度4.40～5.10m。

①2塘泥：灰色，饱和，流塑状。以粉土为主，含少量有机质，夹碎石。仅钻孔Z2揭示。层顶标高1.12m，厚度0.40m。

②1 砂质粉土：黄灰色，湿，稍密-中密。切面粗糙，摇震反应迅速，见大量云母碎屑，局部为粘质粉土，韧性及干强度较低。全场分布。层顶标高0.72～1.41m，厚度4.40～5.90m。

②2粉砂：灰、青灰色，湿，中密。砂质不纯，粘粒含量低，级配良好，分选性差，局部相变为砂质粉土。全场分布。层顶标高-4.49～-3.68m，厚度5.20～6.70m。

②3粘质粉土：灰色，湿，稍密-中密。切面粗糙，摇震反应迅速，见大量云母碎屑，韧性及干强度低。局部夹少量粉质粘土。全场分布。层顶标高-10.38～-9.69m，厚度5.20～6.71m。

④1粉质粘土：灰黄色，软可塑-硬可塑。切面稍光滑，稍有光泽，无摇震反应，韧性及干强度中等，局部夹粉土薄层。全场分布。层顶标高-15.59～-14.68m，厚度8.20～9.90m。

④2粉质粘土：灰色，软可塑。切面稍光滑，有光泽，无摇震反应，韧性及干强度中等，局部夹粉土薄层。全场分布。层顶标高-25.48～-23.79m，控制厚度9.40m。

3 渗流稳定计算

渗流稳定计算通常有以下几种方法：

（1）流网法。可适用各向同性的均质地基及非均质地基，也适用于各向异性的地基;各种不同的地下轮廓和布置也适用;费时不多，精度足够。

（2）改进阻力系数法。精度高，应用广泛。

（3）直线比例法。计算简单，精度差，小型水闸可用。

（4）加权直线法。在直线比例法的基础上发展起来，仅对上、下游两端的铅直渗径进行加权处理。

对于中小型水利工程，改进阻力系数法在渗流计算中应用较为广泛。改进阻力系数法是在阻力系数法的基础上发展起来的，其基本思路为根据地下轮廓的特点将复杂的闸基渗流区域划分为简单的区段，计算各典型段的阻力系数，并得出各典型段的渗压水头损失，并对进出口渗压水头进行修正，最后得出渗压水头。同时计算出渗流出口比降及水平坡降，以此判断闸基的渗流稳定。[2]

根据《水闸设计规范》（SL265-2016）[3]，初始状态下防渗长度计算：

L允=C△H

式中：L-闸侧防渗长度（m）;△H-上、下游水位差（m）;C-允许渗径系数值。

本案中△H=3.5m，C=8m，L实=28m。

实际地下轮廓线L实=26m

4 防渗措施及桩长选择

防渗设施：铺盖、防渗墙、齿墙及帷幕灌浆等，滞渗。

排水设施：设在地下轮廓末端及其下游部位，导渗。

（1）铺盖

布设在闸室上游一侧，长度约为（3～5）H。

铺盖应首先具有不透水性，最好具有一定的柔性，以适应地基变形。

铺盖材料有黏土和黏壤土，必要时可以采用混凝土、钢筋混凝土等。小型水闸可以采用浆砌块石。

铺盖的渗透系数应比地基的渗透系数小100倍以上。

（2）防渗桩

对以下两种常用防渗桩进行比选：

方案一：Φ60cm高压旋喷桩，间距0.45m，单根长11.5m，共280根。

方案二：C30混凝土防渗墙，墙厚0.4m，墙高11.5m，墙总长度95m。

经综合技术经济比选，两种方案防渗效果差距不大，方案一投资较小，最终选择方案一高压旋喷桩作为防渗措施。

考虑到水闸为双向挡水，初始计算选择12m桩长（打入粉质粘土层），上下游各布置单排桩。为避免绕渗，桩墙伸出闸墩左右岸各6m，并设置刺墙，闸墩两侧采用粘土回填。

计算结果如表1。

根据《水闸设计规范》（SL265-2016）[3]：验算闸基抗渗稳定性时，要求水平段和出口段的渗流坡降应小于水平段和出口段允許渗流坡降值，中砂水平段J允许=0.10～0.13，出口段允许渗流坡降值J允许=0.25～0.30。水闸出口段渗流坡降均小于允许水力比降，故闸基础均可满足抗渗稳定要求。

5 处理效果

水闸施工期经位移监测及现场勘查，闸室段经防渗处理后未出现明显移位。上游段右岸挡墙未经防渗处理，两段结构段之间出现约5cm移位。经调查分析，此段挡墙基础原为防护林，树木腐烂后变为暗塘，形成渗漏通道，完建期河道内无水，挡墙背侧有鱼塘蓄水，与河道存在水头差，因此造成局部渗漏破坏。

经综合考虑，将移位段挡墙拆除重建，对此段挡墙基础采用水泥搅拌桩处理，避免再次产生渗透破坏。

6 结束语

（1）下沙地区普遍存在较厚粉砂层，对水闸渗透安全造成不利影响，水闸设计时需做好充分的防渗措施。

（2）新建水闸附近的鱼塘尽量填埋，或河道通水前禁止鱼塘蓄水。

（3）尽量避免将水闸建在可能存在渗漏通道的位置，如曾发生过渗漏破坏的建筑物旁，防护林旧址等。

（4）水闸施工过程中需对位移进行监测，如出现明显位移变形，需立即停止施工，并将挡墙背后土方挖开、卸载，观察是否继续变位或反向变位。一旦发现位移变形，需及时联系设计、勘察人员分析原因，提出补救措施。

参考文献：

[1]张嘉诚.砂性土地基上的水闸设计实例[J].建筑工程技术与设计，2018（6）：15.

[2]武汉水利水电学院水力学教研室.水力计算手册（第二版）[M].北京：水利水电出版社，2006.

[3]水闸设计规范.SL 265-2016[S].

[4]贾顺起.浅谈平原水闸侧向渗透破坏原因及防治措施[J].科技资讯，2009（18）：87.