砂砾石地基水闸防渗设计探讨

扈兆斌

(中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

0 前 言

砂砾石地基不仅有较大的孔隙率，还有较其他地基更强的透水性，如果上下游存在水头差，受水压差影响，空隙颗粒的黏聚力将被破坏。长此以往，流水将部分颗粒带走，空隙直径不断加大，由此而引发的问题，便是地基变形，一旦出现承载能力骤降的情况，水闸稳定性必然会受到极大影响。要想避免上述情况出现，在建设砂砾石地基上的水闸时，工作人员就应将防渗作为重点。

1 项目介绍

文章所研究项目为汉寿县东岳庙高岩村黄河坝水闸，由灌溉闸、主闸等建筑构成。1958年建成并正式投入使用的主闸，其闸室结构为开敝式，主要材质为钢筋混凝土，共有16孔，闸宽32m，孔宽2m，配有人工启闭的竖轴钢闸门。在引水渠的渠首位置，设有闸孔为2.1m×1.5m的灌溉闸，同样配有以钢筋混凝土为主要材质的闸门。勘探资料表明，黄河坝水闸属于中型水利工程，其作用主要是灌溉、防洪及供水，拥有较为理想的综合效益。但由于水闸所在区域有大量砂砾石存在，结合砂砾石地基固有特征，对建设方案加以确定，其重要性不言而喻。

2 砂砾石地基水闸防渗设计

2.1 计算水闸渗流

对边界条件简单的项目而言，根据相关公式计算渗流的难度较小，计算结果也较为准确。本项目所采取防渗布置方案相对复杂，仅凭借理论计算无法得到准确答案，此时，工作人员可酌情选用流网法、阻力系数改进法或其他方法，通过计算的方式，确定近似值。

下文以阻力系数改进法为例，系统的介绍了水闸渗流计算过程，供相关人员参考。

(1)

式中：ζ0为进出口段阻力系数；ζy为垂直段阻力系数；ζx水平段阻力系数；S为板桩/齿墙入土的实际深度，m；T为地基透水层的实际深度，米；Lx为水平段长度，米；S1和S2分别代表齿墙入土的实际深度与板桩入土的实际深度，m。

在利用上述公式完成计算后，工作人员便可确定分段水头损失进而确定总水头损失，最终确定渗透坡降。

(2)

式中：hi为分段水头的实际损失值，米；ζi为阻力系数；△H为经过修正的损失值。

2.2 确定防渗方法

2.2.1 排水防渗

针对砂石土地基所建设水闸展开的防渗处理工作，不仅是项目建设重点，同样是项目建设难点，一旦出现处理不当的情况，及易出现渗漏、管涌等问题，不仅会缩短水闸的使用寿命，更严重的是会给群众生命财产安全带来威胁。由此可见，以实际情况为依据，对防渗方法加以选择很有必要。

虽然水平防渗、垂直防渗均对渗压水头有削减作用，且对闸室整体稳定性有益；但闸底板有渗透压力存在的情况，仍然无法避免。对排水系统加以设置的目的，主要是持续降压，确保渗透水量能够导出，降低渗透压力[1]。设计人员考虑到砂砾石极易出现渗透变形的情况，遂决定在排水管道底部设置反滤层，保证滤层方向与渗流方向正交。除特殊情况外，滤层厚度均应控制在20cm以内，材料以土工编制物、砂砾石为主。

2.2.2 水平防渗

正常情况下，水闸所用水平防渗体均由两部分构成，即闸底板、上游铺盖。其中，上游铺盖的类型相对丰富，现阶段，常见铺盖类型有壤土铺盖、黏土铺盖和混凝土铺盖，另外，由钢筋混凝土所制成铺盖也较为常见。砂石土地基适用铺盖的类型以混凝土、钢筋混凝土为主，事实证明，这样做既能够确保防渗效果，又可以降低施工难度。

文章所讨论项目对铺盖的要求为厚度相等，长度不得超过25cm，厚度不得薄于0.5m。要想将外界温度、地基沉降所带来影响减弱，沿水流方向设置永久缝很有必要，这样做可以抵消一部分回填土、翼墙给铺盖带来的影响。

一般来说，闸底板的结构均为钢筋混凝土，工作人员可结合上部结构所提出要求，通过沿水流方向延长底板长度的方式，来延长渗径[2]。但要注意一点，这样做需要大量资金作为支持，因此，通过加长底板的方式，使渗径呈现出理想长度的方法，尚未得到大范围推广，在建设文章所讨论项目时，仅能作为辅助方案投入使用。

2.2.3 垂直防渗

砂砾石地基对渗流坡降所提出要求较为严格，要想将水闸建立在砂砾石地基上，工作人员既要运用水平防渗，还要有选择性的引入垂直防渗措施，其中，起决定作用的主体为垂直防渗。

1)板桩：

作为水闸工程常用防渗体，根据所用材料对板桩加以划分，可得到钢板桩和木板桩，另外，近几年，以钢筋混凝土为主要材料的板桩，走进大众视野。本项目所选用板桩的材料为钢筋混凝土，防渗效果基本能够达到预期。

由实践所得经验可知，要想使板桩发挥出应有的防渗作用，关键是将齿墙加设在板桩侧面，待板桩施工告一段落，再利用水泥砂浆，对齿墙做灌孔处理。现阶段，可被用来连接底板和板桩的方式，主要有以下两种：①如果连接处具有较大厚度，尽量将板桩靠近底板的前缘，裸露在外的部分，则可作为混凝土模板加以运用，为后续工作的开展提供便利。如果桩顶高程不满足一致性要求，工作人员可通过浇筑混凝土盖梁的方式，赋予板桩良好的整体性，并降低止水布置环节的难度。②在齿墙下端设置板桩，借助软接头，确保板桩顶部能够完全嵌入槽内。由于闸室有沉降可能，要想避免透水情况出现，工作人员需要利用沥青对板桩嵌入槽加以填充。可被用来对板桩做沉桩处理的方案有两个，分别是冲沉沉桩和打入沉桩，砂砾石地基更适合冲沉沉桩，该方案仅需耗费较少时间，就能够取得相对理想的效果，接缝数量也在可控范围内。另外，冲沉沉桩的优势，还包括节约材料、成本低廉等。

由于垂直防渗所用板桩需要提前制作，因此，对其质量加以控制的难度较小。但是，在实际施工时，一旦出现板桩不闭合的情况，防渗效果就会受到极为直观的影响，这也是板桩防渗的不足之处。

2)连续墙：

在地下修建连续墙目的，主要是承重、挡土、截水与防渗，近几年，以围堰及闸坝为代表的诸多工程，均运用连续墙。按筑墙材料来分类，可将连续墙分为黏土墙、混凝土墙和钢筋混凝土墙，文章所讨论砂砾石地基，更适合运用钢筋混凝土连续墙。

连续墙施工的流程，通常可被划分如下：①在前期准备阶段，通过开挖的方式，得到有导向作用的导墙，保证开挖槽段具有理想的宽度及垂直度，可使土层稳定性得到维护。与此同时，导墙还可为混凝土导管、导槽设备提供安置基础。②在开挖槽段时，施工人员要明确槽壁稳定性会给后续施工带来的直接影响，只有借助泥浆，为槽壁打造渗透性极小的保护层，将泥浆渗透槽壁的途径彻底阻断，才能避免出现墙体质量未达到预期的情况。当然，由于泥浆含有大量电解质，土质吸水分散及膨胀等问题，均可得到有效解决，这也极大程度降低了土层软化导致槽壁坍塌的可能性[3]。③利用密度较低的泥浆，将槽内原有稠泥浆尽数替换，彻底清理槽底沉积物及钻渣，通过提升承载力的方式，避免墙体沉陷等问题出现。一般来说，在清槽工作结束1h后，如果槽底残留沉渣的厚度不超过20cm，便代表清槽成功。

连续墙的优势是有相对成熟的技术，质量控制的难度较低，另外，还可使砂砾石地基具有更加理想的承载力。当然，该项技术也有较为明显的不足存在，即：连续墙往往由多段2-8m的墙段衔接而成，如果施工人员没有做到科学处理墙段接口，将会使连续墙作用的发挥情况受到制约。

3)喷射灌浆：

该法强调以利用钻机使注浆管到达预定土层深度为前提，借助高压对浆液进行喷射，形成可使土层得到冲击的喷射流。当喷射流压力超过土层强度，便会有大量颗粒由土层剥落，其中，少数细颗粒跟随浆液从地面冒出，剩余颗粒受重力、冲击力与离心力影响，完全融入浆液，并且能够按照特定要求排列，等到浆液完全凝固，融入其中的颗粒，便会以固结体的形态存在于浆液中，防渗帷幕随之形成。以喷射方向和轨迹为依据，可将喷射灌浆分为摆喷、定喷和旋喷等形式，文章所讨论的项目选择摆喷与定喷相结合。

而决定喷射灌浆能否发挥出应有作用的要素，主要是灌浆材料和配制方案，只有确保二者科学且合理，才能使固结土具有理想的质量及稳定性。在正常情况下，砂砾石地基所用灌浆材料均以水灰比是1∶1的纯水泥为主，如果项目所在地区的地下水拥有较大流速，此时，仍然对纯水泥加以运用，较易出现冲失的问题，在对多方因素加以考虑后，工作人员可以按照特定比例，将速溶早强剂、硅酸盐水泥充分混合，再根据试验所得数据，完成帷幕布孔等环节[4]。实践结果表明，喷射灌浆的优势，主要是工期可控、方法简单，但如果项目所在地区的地质条件较为复杂，有植物根茎、大浮石存在，极易使高压喷射流被削弱，帷幕整体性也会受到影响。

3 结 论

由上述内容可知，在承载力方面表现突出的砂砾石，对基础变形有良好的适应性，将其作为地基投入使用是大势所趋。由于在渗流方面，水闸所提出要求较为严格，因此，研究防渗措施很有必要。上文着重介绍了现阶段常见的防渗方案，在实际施工时，工作人员应做到综合考虑投资、外部条件等因素，确保所选定方案可最大程度发挥出自身优势。