水泥土在涵洞式水闸基础防渗中的应用分析

李聪磊

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

国民经济的迅速崛起推动了水利事业的不断发展，水闸作为水利枢纽的重要组成部分，具有明显的经济效益、社会效益。平原区涵洞式水闸是比较常见的水闸形式之一，其作为主要灌、排水通道，分布广泛，意义重大，一般下穿堤身而建，洞身相对较长[1]。根据有关文献，因渗透稳定问题而引起水利工程失事的案例时有发生，60%以上的堤坡失稳是由渗流破坏引起的[2]，而在水闸失事中该比例约为32.8%[3]。涵洞式水闸作为主要穿堤建筑物，工程规模一般较小，投资不大，洞顶以上覆土相对较厚，设计人员更加注重地基承载力的影响，而闸基渗透稳定问题并未引起足够重视。涵洞式水闸一旦建成后，洞顶以上为堤身回填土覆盖，闸基的渗透破坏具有明显的隐蔽性，而这种渗透破坏一旦发生却很难补救[4]。鉴于此，本文以安徽省沱河右岸胜利沟涵为典型工程实例，采用有限元软件Autobank进行稳定渗流仿真计算，对比分析不同水泥土换填厚度对闸基渗透稳定的影响规律，在此基础上提出具有可操作性、经济性的防渗处理措施，可为类似工程提供参考和依据。

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

胜利沟涵位于安徽省沱河右岸，隶属蚌埠市固镇县境内，为胜利沟与沱河交汇处的主要排水通道，是典型的涵洞式水闸，控制流域面积为7.5 km2，所在堤防级别为5级。该闸建于1975年，年久失修，结构破损严重，工程安全问题较为突出，结合安全鉴定结果，需拆除重建。根据规划设计条件，新建胜利沟涵具有防洪、排涝、蓄水等功能，水位条件见表1(1985国家高程基准，余同)。

表1 规划水位条件

胜利沟涵采用钢筋混凝土箱型结构，单孔，孔径为3.0 m×3.0 m(宽×高)，水闸底板顶面高程为18.10 m，底板厚为0.5 m，洞身长为37.0 m，洞顶以上覆土厚度为2.6 m。根据设计流量、功能和所在堤防等级确定该水闸为Ⅳ等小(1)型水闸，洞身等主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级。

2.2 地质条件

根据地质钻孔勘探及室内试验成果，闸址建基面以下地层主要为重粉质壤土与砂壤土互层，各土层相关指标见表2所示。

表2 闸址处建基面以下地层分布及主要参数

闸址处地下水类型主要为孔隙水，广泛赋存于重粉质壤土和砂壤土中，受大气降水、河水等地表水补给，与表层水水力联系密切，随季节变化起伏。此外，②1层与③1层砂壤土含水层具有承压性，且埋藏较深，其对涵洞式水闸底板具有较强的顶托作用，对闸室底板结构稳定不利。

3 模型的建立及参数选取

3.1 模型的建立

采用有限元单元法对闸室底板进行渗流模拟计算的理论已十分成熟[5-7]，本文根据二维稳定渗流场有限元法基本理论[8-9]，分别对该涵洞式水闸天然地基和不同水泥土换填厚度下的闸基渗流进行模拟分析。取最不利工况进行计算，闸上水位为21.20 m，闸下侧水位为18.10 m，最大水头差为3.1 m。模型范围示意见图1～2。

图1 天然地基模型范围示意(单位:m)

图2 水泥土换填模型范围示意(单位:m)

3.2 参数选取

水泥土一般是由水泥、外加剂、水拌和后掺入一定量的重粉质壤土或粘性土组成，通过水泥中矿物与土中的水分发生一系列物理化学反应[10]，从而使其结构致密，增强水泥土强度，提高水泥土抗渗性能。按设计要求，水泥掺入比为10%，压实度不小于0.96。根据相关文献[11-13]，在本次设计条件下，水泥土渗透系数大致为2.0×10-10～8.0×10-10m/s。结合本地区类似工程经验，水泥土渗透系数取为5.0×10-10m/s，其余土层的渗透系数见表2。

4 计算结果及分析

Autobank是比较常见的有限元分析软件，具有原理明确、结果可靠、操作便捷、界面友好等特点。本文通过Autobank对闸室底板进行渗流模拟计算，分析不同水泥土换填厚度下闸室底板渗透稳定的变化规律。

4.1 天然地基渗流模拟分析计算

当闸址处未进行地基处理时，即为天然地基，根据天然地基模型进行有限元计算，得到此时的最大渗透出逸比降以及单宽渗流量，其中水头分布等值线见图3。

图3 天然地基渗流等值线示意(单位:m)

根据图3，水头损失主要发生在闸下游渗流出口处的②层重粉质壤土覆盖层中，说明微弱透水层能显著提高水闸底板的防渗效果，提高渗透稳定。通过计算，单宽渗流量为4.64×10-7m3/s，最大出逸比降为1.21，远大于②层重粉质壤土层的允许坡降0.45，不满足设计要求，易发生闸基渗透破坏，需要进行地基处理。

4.2 水泥土换填后渗流模拟分析计算

闸室建基面下卧土层挖除后，采用水泥掺量为10%的水泥土换填处理，压实度按不小于0.96控制，分别计算换填厚度为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m的最大渗透出逸比降、单宽渗流量，计算结果见表3，其中换填厚度为2.0 m的水头分布等值线如图4所示。

表3 水泥土不同换填厚度下的计算结果

图4 水泥土换填后渗流等值线示意(单位:m)

根据图4，涵洞式水闸闸室底板采用水泥土换填后，引起地基土层渗透系数的降低，增强了闸室底板土层的防渗效果，水头损失更多发生在渗透系数较小的水泥土换填土层和渗流出口处的②层重粉质壤土覆盖层中，而在透水砂层内部的水头损失则很小，说明在透水砂基中采用水泥土换填是可行的。

由表3可知，随着水泥土换填厚度的增加，最大渗透出逸比降和单宽渗流量均逐步降低，说明水泥土对于闸室基础防渗有良好作用。在换填厚度为2.0 m时，单宽渗流量为3.7×10-9m3/s，约为天然地基下单宽渗流量的0.8%，而此时最大渗透出逸比降为0.42，约为天然地基下最大出逸比降的35%，同时也小于渗流出口土层②的允许坡降0.45，说明在本工程条件下换填厚度大于2.0 m时可保证最大渗透出逸比降在许可范围之内，且显著降低单宽渗流量，确保满足设计要求。因此，在满足渗透稳定要求的前提下，水泥土换填厚度需通过分析计算合理确定，选择最优换填深度，达到安全稳定、经济合理的目标。

5 防渗处理措施

根据上述有限元模拟分析结果，涵洞式水闸基础防渗采用水泥土换填在一定程度上是可行的。水泥土换填具有施工简易、技术成熟、质量可控、经济合理、就地取材等优点。鉴于此，对于工程规模较小、投资有限的涵洞式水闸建筑物，在下卧透水砂层不厚的情况下一般不宜采用复杂的防渗处理措施，而采用水泥土换填处理是合理的。水泥土换填施工中需严格控制土的含水率和水泥掺入比[18]，注重施工中的摊铺碾压工序、工后养护及质量检测，达到闸室底板防渗的质量目标。

为保证闸室底板渗透稳定，增强其安全富裕度，也可在下游消力池底板增设反滤排水设施，如排水管、减压井等，进一步降低闸底板渗透压力[14]，提高底板渗透稳定性。对于深厚透水砂基上工程规模较大、建筑物级别较高的重要水闸，水泥土换填具有一定的局限性，受到土层开挖深度的限制，此时宜采用防渗墙技术。根据相关文献资料[15-17]，防渗墙对闸底板防渗具有较满意的防渗效果。水闸底板防渗设计需因地制宜，综合分析，多方案比较和论证，最终选择可操作强、经济合理的防渗处理措施。

6 结语

在透水砂基中，水闸底板的渗透稳定是影响工程安全的决定性因素。本文通过有限元软件Autobank，结合工程实例对涵洞式水闸进行二维稳定渗流仿真分析计算，得出以下结论：① 采用水泥土换填可以有效降低渗流量和最大出逸比降，提高闸底板渗透稳定，满足设计要求；② 水泥土换填在小型水闸工程中具有较强的适用性，而对于建筑物级别较高的大中型水闸，则需考虑采用防渗墙技术。

在实际水利工程中，水泥土换填更多地用于提高地基的竖向承载力，而在闸室基础防渗方面较少应用。本文通过工程实例模拟分析，进一步论证了水泥土换填在提高基础渗透稳定方面的可行性和合理性，类似工程中可将地基承载力与底板渗透稳定性的提高统一考虑。