桩顶褥垫层截渗对水闸渗流的影响

谢义伟 德州市水利局水利施工处

张虎 德州市水利局引黄工程维修施工处

1.案例分析

海阳市留格拦河闸闸室的长度是9 8 米，结构形式属于整体式结构，且闸室两孔一联。在新建水闸前，通过现场调查与数据收集分析得出，闸室地下的地质情况分为两点：其一，全风化花岗岩的厚度达到了2到3.2米，实际承载力特征数值可以达到110kPa；其二，全风化花岗岩的承载力特征数值达到了280kPa。因此，施工单位在正式处理前提出，闸室的持力层地基水平没有达到设计要求，要引用CFG桩复合地基方案进行地基处理，并在桩顶设计300毫米厚度的褥垫层，以此来提高闸基础的整体承载能力。

2.分析渗流

2.1 水闸及其渗流类型

水闸是指运用闸门挡水与泄水的中低水头水工建筑物，通常情况下存在于水库、河道等项目中。需要注意的是，在设计水闸时对渗流情况进行计算，有助于项目管理人员更加全面的了解渗流量、渗流对水闸地基的影响等，以此为后续解决水闸结构形变等问题提供有效依据。了解当前水闸工程建设情况可知，渗流对建筑物产生的破坏非常严重，且大都是不可预测的，若是发现也很难处理。一般来讲，渗流类型有管涌、流土及接触流土等。出现这些现象的原因分为两点：其一，内因。如土的性质等，影响着渗流出现的形式；其二，外因。如水流的条件等；通过研究这一影响因素，可以明确土体是否可以承担渗流坡降，并提出有效的处理对策，从而保障出口区域的基土不会受影响。

2.2 桩顶褥垫层作用

现阶段，在我国处理地基工作中，CFG桩复合地基展现出了积极作用。对复合地基而言，是否在基础之下设计褥垫层对其承载水平的影响极大，如果在施工期间没有设计褥垫层，复合地基的承载特性与桩基础类似，无法充分展现桩间土的承载水平。而在基础之下设计褥垫层，有助于桩间土的承载力水平得到充分发挥，确保荷载在褥垫层的引导下进入桩间土中，从而让桩、土共同承担荷载。在海阳市留格拦河闸工程建设中，如果只是设置桩顶褥垫层，而不进行截渗，那么在水压力的作用下CFG桩褥垫层中会形成一条渗流通道，这样就加大了地基的水力坡降与渗流量，对闸室的安全稳定而言产生很大的威胁；在水闸建设中通过设计齿墙对桩顶褥垫层进行截渗，对比以往的施工项目，渗流量得到了有效控制，且保障了水闸渗流的平稳性，并减少上游的渗流量；齿墙在控制水利坡降的效果上非常显著。

2.3 构建模型及计算结果

第一，通过运用AutoBa n k有限元分析软件，针对本文概述案例进行模型构建，主要分析闸底板、土及褥垫层之间在作用下的数值模型，以此全面分析齿墙对褥垫层抗渗的影响。其中构建模型分为两种，一种会在褥垫层设计两道齿墙进行截渗，另一种不设计齿墙。如图1。

图1 褥垫层设计

第二，需要注意的是，为了保障实验探究的安全性，操作会从低水位与高水位的检修工作情况入手进行对比分析。同时，还要在研究前明确渗流计算原理，具体公式如（1）所示：

其中公式中的φ=（x,y）代表等待求解的水头势函数；而x，y表示平面坐标；kx和ky为x，y轴方向的渗透系数。需要注意的是，在计算过程中，必须要保障水头φ符合预先提出的边界要求，如在上游边界的水头φ=φ'等。

通过运用有限元中的离散，并预先设定单元渗流场的水头φ是多项式，而后引用微分方程与边界条件明确问题的变分形式，最终可以得到如（2）所示的线性方程组：

其中公式中的[H]代表渗透的矩阵，而{φ}表示渗流场的水头，是指节点的渗流量。在计算上述方程组时，现场施工人员可以明确节点水头，并由此计算出流速、水力坡降等信息。以高水头工作情况为例，计算结果如表1所示。

表1 水利坡降表

第三，研究渗流模拟结果。

一方面，设计齿墙渗流影响着褥垫层的渗流量。整合研究现场收集的数据进行分析可知，渗流量最高的是无齿墙有褥垫层；渗流量最低的是有齿墙有褥垫层。设计齿墙的区域，水闸渗流量会随着水头提高持续增加，这也证明设计褥垫层会构成透水通道，并由此增加水闸渗流量。而对比没有齿墙与设计齿墙的区域发现，渗流量得到了有效控制，通过齿墙做好截渗工作，充分发挥复合地基的优势，且不会影响水闸工程的日常运行。另一方面，齿墙截渗有助于控制水利坡降。以上面工作情况为例，无齿墙、无褥垫层地基的水力坡降可以达到0.79，而无齿墙、有褥垫层地基的坡降是1.11，相比前者增加了百分之四十点五。而有齿墙、有褥垫层地基的水利坡降只有0.72，对比没有齿墙的区域减少了百分之三十五点一。由此可知，在相同水位内，通过在水闸底板中设计褥垫层，能增加地基的整体承载能力，但也会加大地基的水利坡降，影响水闸的平稳性。而在褥垫层中设计齿墙进行截渗，就能有效的减少水利坡降。这样能充分发挥褥垫层的作用，在提高地基承载力的同时又保证了水闸的安全运行。

3.基于桩顶褥垫层截渗解决水闸渗流的有效策略分析

3.1 累积丰富施工经验

从我国当前水闸工程建设情况可知，我们在水闸工程建设中应用的截流技术要远远低于其他国家。因此，我们在处理水闸渗流问题时，必须要整合以往工程建设经验，合理借鉴其他国家的优秀施工案例，并结合自身工程项目特点进行改进。只有这样才能全面提高我国水闸地基建设的截流水平，保障水闸工程的质量安全。同时，在施工期间还要针对不同的渗流情况进行深入探索，认真将其记录到工作日志中，以此为后续水闸安全运行研究奠定基础。

3.2 优化现场准备工作

一，材料要求。一方面要保障石子粒径不能超过30毫米，且内部没有杂质，含泥量要低于百分之五，另一方面要运用粗砂或中砂进行材料配置，并将级配比例控制在3：7；二，应用设备。施工常见设备有手推车、水管、平板式振动器等，在正式施工前，施工人员必要结合施工步骤准备适宜的机械设备；三，作业条件。预先明确褥垫层的施工厚度，并了解齿墙的设计要点。

3.3 科学保护施工成品

具体工作包含：其一，在回填碎石时，要着重保护轴线桩，并在现场进行复测；其二，在施工期间要有效保护边坡，预防土流进入槽内；其三，在完成碎石铺夯工作后，要控制来往车辆和行人的数量。

3.4 关注施工质量问题

具体工作包含：其一，全面管控褥垫层施工工艺标准，确保夯实次数超过四次；其二，保障振捣工作的均衡性与科学性，减少局部下沉现象的发生；其三，在石子装车的过程中，不要将地表土混入其中；其四，认真核查施工图纸，保证图纸设计与现场数据一致。

4.结束语

综上所述，桩顶褥垫层截渗对水闸渗流而言至关重要。通过整合实践施工情况分析可知，由于我国针对水闸工程渗流提出的处理对策非常少，且累积的工作经验不多，所以必须要通过构建对应模型，经过全方位分析才能提出有效的处理对策。这样不仅能加强闸室的稳定性，而且可以确保水闸工程日常工作可以有序落实，最终为后续工程建设及渗流处理提供有效依据。