砂性地基围堰防渗设计研究

潘国勇，匡 义，庞如月，周航凯，张志鹏，羊樟发

（1.杭州市富阳区水利水电工程监管中心，浙江 杭州 311400；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 问题的提出

围堰是水利水电工程中重要的临时建筑物，围堰的防渗效果直接影响主体施工的安全及进度。砂性土的渗透系数较大，易产生突发性管涌破坏[1]，在砂性基础围堰设计过程中，围堰的防渗措施尤为关键[2]。目前应用较广的防渗型式主要有钢板桩、水泥搅拌桩、高压旋喷灌浆、混凝土防渗墙等，国内外学者针对各类方法结合相关工程实例开展一系列研究。杨震等[3]通过试验研究高压喷射注浆技术的适用地层范围、在砂卵石透水层的扩散范围以及施工方法。章兆熊等[4]通过工程实例介绍三轴水泥搅拌桩的施工工艺、要点及在深基坑中的应用情况。漆巨彬等[5]通过实际工程介绍钢板桩围堰自然状态下深填砂层高喷防渗施工的关键技术、方法及防渗效果，提出合理的施工方案及质量控制方法。

上述各类防渗技术都有自身的优缺点和适用性，在实际工程中，需要根据不同的地质条件及工程内容选择合适的防渗措施[6-8]。本文结合相关工程实例，通过计算及比较实际施工情况研究不同防渗技术的防渗效果，并且探讨设计经验及施工要点。

2 工程概况

富阳区东洲北支江位于钱塘江流域富阳—闻家堰的富春江河段，北支江上游水闸船闸工程属亚运场馆及北支江综合整治工程子项之一，是2022年亚运会赛艇、皮划艇赛事重点保障项目。水闸主体建筑物由上游钢筋混凝土铺盖、闸室、下游钢筋混凝土护坦组成，左岸与护坡亲水平台相接，右岸与船闸相邻。主体工程施工导流采用上堵坝作为上游围堰挡水，下游采用围堰拦断河床，利用补水泵站向下游补水。上游水闸船闸工程效果见图1，围堰布置及施工面貌见图2。

图1 上游水闸船闸工程效果图

图2 围堰布置及施工面貌图

3 围堰防渗方案

3.1 地质条件

北支江上游水闸位于上下游堵坝之间且临近上堵坝，河床高程为2.50~4.16 m，河床中间部位的地层分布从上至下依次为：塘泥（厚0.50 ~3.00 m）、粉细砂及含砾细砂（厚度5.00~13.00 m，渗透系数5.7×10-3cm/s）、淤泥质粉质黏土夹粉砂、含砾粉质黏土，以下是圆砾及卵石等。

上游水闸闸址左右两岸与围堰地基一致，均分布有深厚的粉细砂层，厚度5.00~13.00 m，属于中等透水。部分地表存在约1.00 m厚的建筑垃圾及覆盖层，之下为质地较细的粉细砂，岸坡透水性较好。为防止基坑产生管涌破坏，需要对围堰地基及基坑两岸岸坡采取相应防渗措施，形成封闭防渗体系。

3.2 围堰防渗型式比选

根据工程区地质条件，高压旋喷、三轴水泥搅拌桩、钢板桩、混凝土防渗墙等4种防渗型式均适合本工程[9-10]，其优缺点比较见表1。

表1 各防渗型式优缺点对比表

由于混凝土防渗墙造价相对较高，施工速度相对较慢，本工程不予考虑。高压旋喷施工设备轻，砂层基础施工速度快，但是施工过程中质量控制难度较大。工程实施阶段进行高压旋喷生产试验，开挖检查其成桩效果发现，高压旋喷桩在表层耕植土中成桩不均匀，粉细砂层成桩桩径满足要求，但成桩断面不规则，桩体表面呈现针刺状，质量稳定性不高（见图3）。因此，本工程未将高压旋喷防渗作为主要防渗型式。

图3 高压旋喷桩试验情况图

经比选，本工程围堰及岸坡主要采用三轴水泥搅拌桩、拉森IV型钢板桩防渗。

3.3 围堰结构及防渗方案

上下游围堰采用充砂管袋型式，最大堰高约10 m。三轴水泥搅拌桩施工工艺简单，形成的防渗体连续性好，但是设备尺寸较大，对施工作业面和基础承载力有较高要求；钢板桩施工工艺简单，施工速度快，但是对地层的均一性要求较高[11-12]。

上游围堰施工作业面有限，且考虑围堰整体稳定性，不宜在围堰上采用大型设备进行施工。上游围堰堵坝段采用充砂管袋填筑施工平台，并采用钢板桩防渗，设计深度穿过粉细砂层，打入相对不透水层不小于1.50 m。上游围堰道路改线段采用充砂管袋填筑，采用钢板桩防渗，设计深度穿过粉细砂层，打入相对不透水层不小于1.50 m。上游围堰堵坝段和道路改线段典型断面见图4。

图4 上游围堰典型断面图 单位：m

下游围堰采用充砂管袋作为堰身主体，由于堰身有足够的施工作业空间且围堰整体承载力足够，采用三轴水泥搅拌桩防渗。下游围堰典型断面见图5。

图5 下游围堰典型断面图 单位：m

基坑左、右岸岸坡根据工程布置特点采用水泥搅拌桩、拉森IV型钢板桩防渗，并与围堰防渗衔接形成封闭防渗体系。

4 基坑渗流计算评价

本工程透水层主要为粉细砂层，属易产生管涌破坏的地层。围堰的防渗方案对工程建设至关重要，直接关乎工程成败。围堰及地基的渗流及渗透比降计算分析亦极为必要。

4.1 基坑渗流理论计算

本工程透水层主要为粉细砂层，根据地质勘探资料，渗透系数取值为5.7×10-3cm/s。基坑渗流主要分为3部分，主要有沿基坑围堰的渗流、沿基坑基础的渗流及两侧绕渗[13-15]。

沿围堰体的渗流量根据公式（1）计算可得：

式中：A为沿堰体水流断面面积，m2；k为堰体渗透系数；i为水力坡降。

沿基坑基础的渗流及绕渗计算可根据公式（2）计算可得：

式中：k为堰基的渗透系数，cm/s；L为渗透途径长度，m；H为水头，m；T为基础渗水深度，m；n可根据表2确定取值。

表2 n值确定表

根据上述计算方法，考虑基坑围堰渗水情况、堰基情况，以及地质资料、渗流水头等因素，计算整个基坑工程的渗流总量为390 m3/h。

4.2 基坑渗流数值模拟计算

采用Slide渗流计算软件分别计算基坑上游、下游围堰及两岸边坡稳定渗流工况下的渗流量。土层计算参数及渗透系数参考取值见表3；计算模型见图6；上下游围堰及两岸边坡计算工况见表4。

表4 上下游围堰及两岸边坡计算工况表 m

图6 渗流数值计算典型断面图

表3 主要土层计算参数表

计算得到的渗流量见表5。结果表明，在上下游围堰及岸坡处设置防渗措施后，基坑的渗流量比不设置防渗措施时减少约60%。说明采用三轴水泥搅拌桩和钢板桩防渗能够有效减少基坑渗流量，从而减少抽水台班的使用。

表5 基坑渗流量计算结果表 m3/h

粉细砂层是本工程地质条件中的主要地层，具有较强的透水性。是否会发生管涌与粉细砂的渗透比降息息相关。围堰地基粉细砂层以及管袋围堰中的压密细砂水力坡降计算结果见图7。

图7 渗透比降计算结果图

从计算结果可以看出，设置防渗结构后，粉细砂层的渗透比降明显下降，并控制在允许渗透比降的范围内（粉细砂层允许渗透比降0.15~0.20）。在砂性地基条件下布置防渗墙能够有效避免砂性土管涌破坏现象。

目前北支江上游水闸船闸工程已开工建设约2 a，基坑施工条件良好，未发生管涌破坏现象，形象面貌见图2。根据施工统计情况，基坑经常性抽水量为210~300 m3/h，与理论计算、数值计算结果基本相吻合，围堰防渗方案合理、可靠。

5 结 语

本文通过理论分析与实际施工统计，对北支江上游水闸船闸工程砂性地基围堰渗流进行研究，得到如下结论：

（1）采用钢板桩、三轴水泥搅拌桩作为砂性基础围堰的防渗型式能够有效减少围堰渗流量，且施工较为方便，速度快，防渗结构连续性较好。

（2）采用理论方法、数值计算对围堰的渗流、砂性地基渗透比降进行分析，并与实际施工统计情况进行对比，表明在设置防渗结构后，基坑的渗流量、砂层渗透比降显著降低。本工程围堰防渗措施合理、可靠，有力保障了工程建设，同时为类似工程设计、施工提供有益借鉴。