综合截渗技术在东鱼河大屯闸除险加固中的应用

王 琦

(菏泽市河湖流域工程管理服务中心，山东 菏泽 274100)

本文研究的东鱼河大屯闸位于黄河冲积的平原部位，根据深度勘察结果，东鱼河的地层包括十层(包含亚层)，其中，以壤土和砂壤土为主[1-2]。大屯闸位于东明县大屯镇游屯村南，东鱼河桩号149+800处，控制流域面积 302 km2，由原菏泽地区水利局设计按河道3年一遇除涝标准，东明县水利局于1986年2月25日开工建设。由于始建标准低，加之已运行三十多年，钢筋混凝土闸底板碳化情况较为严重，闸门钢筋混凝土部分出现破损、开裂的现象，启闭机及电气设备逐渐老化，存在安全隐患[3]。

为了消除大屯闸存在的上述安全隐患，提高防渗能力，本文提出了基于综合渗透技术的东鱼河大屯闸除险加固设计。

1 地层分布规律及特征

东鱼河大屯闸的地层分布存在一定的规律，场地分布的特征较为明显，本文对大屯闸地层分布的规律及特征研究如下：

第1层多数为人工回填土，土体大部分呈褐色，人工回填土以砂壤土为主，其中，包括植物的根系。人工回填土的厚度为0.80～3.90 m；层底的标准高度为53.55～56.20 m；层底的埋入深度为0.80～3.90 m。

第2层为砂壤土，分布较为密集，土壤呈现潮湿饱和状态，具铁质锈斑，夹壤土薄层。厚度1.30～4.40 m；层底的标准高度为50.92～52.75 m；层底的埋入深度为3.90～5.90 m，土层呈现中等透水性。

第3层壤土含铁氧化物。土层的厚度1.40～2.20 m；层底的标准高度为49.12～50.60 m；层底的埋入深度为6.10～7.80 m。

第4层砂壤土，整体结构中夹软塑壤土薄层，多数为浅灰色形态。土体的厚度7.00～8.20 m；土体底部高度为41.92～43.04 m；埋入高度为14.20～14.80 m。

第5层壤土含少量有机质。场区普遍分布，厚度0.80～2.00 m；层底的标准高度为40.45～41.94 m；层底的埋入深度为15.30～16.40 m。

第6层壤土含铁氧化物及砂壤土薄层，局部偶见姜石，见铁锰质斑点。场区普遍分布，厚度1.90～3.10 m；层底的标准高度为37.95～39.35 m；层底的埋入深度为18.00～18.80 m。

第7层砂壤土，夹壤土薄层。厚度0.80～2.00 m；层底的标准高度为35.95～37.55 m；层底的埋入深度为19.60～20.70 m。

第8层壤土含铁氧化物及砂壤土薄层，局部偶见姜石，见铁锰质斑点。厚度3.60～6.00 m；层底的标准高度为31.54～33.55 m；层底的埋入深度为23.90～25.90 m。

第9层砂壤土含铁质锈斑及壤土薄层。厚度1.40～2.70 m；层底的标准高度为28.92～30.50 m；层底的埋入深度为26.40～28.40 m。

第10层壤土未穿透，揭露厚度最深可达7.20 m。渗透系数建议值为3.0×10-5cm/s，具弱透水性。东鱼河大屯闸各层土体分布的物理力学指标，如表1所示。

表1 东鱼河场地的土层物理指标

由于东鱼河位于较为平坦的地区，区域范围内构造发育，区域构造稳定性较差。场地土层以下15.0 m深度内，均匀分布着全新系列土层，砂壤土存在液化的可能性。

2 基于综合截渗技术的除险加固设计

本文设计的东鱼河大屯闸，在堤坝上游两岸的护坡处以及下游的浆砌石护坡处，设置除险加固装置。

东鱼河大屯闸整体的除险加固装置采用钢筋混凝土结构，采用灌注模式的桩法，在东鱼河原始部位改建管理用房，结合综合截渗技术，设计东鱼河大屯闸的除险加固工程。

2.1 设计综合截渗墙体性能指标

在设计东鱼河大屯闸的除险加固工程时，将轴线设置在大坝迎水坡的堤坝2.0 m处，轴线的分布方向呈现平行方向，总体轴线长度范围在2450～2870 m之间。截渗墙的整体高程达到岩石的顶面，截渗墙的厚度设计不小于155 cm。采用直径较小的搅拌桩机，在大屯闸的放水闸部位连接桩机，充填灌浆。

在设计除险加固工程时，选取BMT-12B型号的小直径截渗桩机，依据堤坝的地质条件与要求，在施工过程中不需要开槽操作，受降雨量以及环境条件的影响较小。将综合截渗墙体与大屯闸防渗体之间进行连接，设置桩机的主体部分深入不透水层的深度，如果透入水层的深度过深，对堤坝的防渗体的应力作用存在不良影响。因此，本文设计的不透水层的深度范围在0.25～2.25 m之间。基于综合截渗体的渗透作用，堤坝的防水性能取决于化学反应作用以及机械反应的侵蚀作用，以上两种反应作用与水力的梯度存在很大的联系。

本文在设计综合截渗墙体的性能时，根据堤坝的水力梯度，明确截渗墙体的具体厚度，如式(1)：

δ=H/Jp

(1)

式中：δ为截渗墙体的具体厚度，m；Jp为综合截渗墙体允许的最大水力梯度值，取50～100；H为截渗墙体的实际厚度,m。在设计综合截渗墙体的性能指标时，应用最多的为综合渗透系数K，取值结果根据具体的除险加固工程情况以及截渗方法确定。一般情况下，在土石坝的截渗方法中，K的取值应当小于1×10-5cm/s；在混凝土的截渗方法中，系数应当小于1×10-9cm/s，综合截渗系数还受到水泥多少的影响，当水泥的量过多，约占堤坝的8.25%时，系数设置在1×10-5cm/s左右即可。本文设计的综合截渗墙体的系数指标，如表2所示。

表2 综合渗透墙体系数指标

如表2所示，为本文设计的综合截渗墙体的各项系数指标，对于大屯闸的除险加固工程实施，提供重要的性能参数依据。

2.2 除险加固节制闸设计

节制闸的组成部分较多，堤坝的坝坡稳定性较差，采用作用力的圆弧法计算最大堤坝断面。在堤坝蓄水位正常且稳定的情况下，加固堤坝的最高断面，计算堤坝断面的渗流稳定情况，如式(2)：

(2)

式中：H1为堤坝断面上游的水位，m；H2为堤坝断面下游的水位，m；L为综合截渗直径长度，m。设置节制闸的防渗体为砂黏土填筑，含有较深厚的砂砾石层，经过复核计算，在堤坝轴线位置布置混凝土防渗墙，铺设长度为55 m的砂砾层。

在截渗墙底嵌入风化花岗岩，以水泥作为截渗墙的固化剂，设置综合截渗墙体总长为725 m。采用露顶式定轮钢闸门，将闸门的主梁转化为堤坝截面的组合梁。设计节制闸的启闭机容量，经过高度载荷作用后，闸门具有自动控制功能。大屯闸的负荷通常情况下为3台配套电动机，采用双重电源供电。

采用分布式控制节制闸闸门，监控集控站和闸门装置，设计每台节制闸监控设备控制1孔闸门，通过闸门之间的通讯总线实现节制闸安全管理。设计采用正循环方法进行，不允许采取加深钻孔深度的方法代替清孔。施工前应确定灰浆泵输浆量、设备提升速度等施工参数，保证堤坝表面的完整性，清除多余的障碍物，保证钻具中心和桩位中心重合。

3 试验分析

为了验证本文提出的基于综合截渗技术的东鱼河大屯闸除险加固设计的有效性，选取堤坝中的部分区域进行防渗效果试验分析。根据大屯闸加固堤坝的地形条件，选择50+100、55+550、63+100三处较为典型的堤坝断面，在堤身处铺设复合土，设计综合截渗墙，对三处堤坝断面进行渗流计算。依据达西定律，采用三维有限差分法，进行大屯闸地下渗流的模拟计算。通过计算机计算堤坝的渗流流场坐标、渗流量等参数，水泥土的截渗墙系数取值5×10-6cm/s，复合土的系数取值5×10-10cm/s，获取到的堤坝土层计算指标参数，如表3所示。

表3 三处堤坝断面土层计算指标参数 cm·s-1

如表3所示，为本次试验的堤坝断面土层截渗指标参数。基于截渗指标参数，对三处堤坝断面进行渗流计算，将堤坝断面的现状与采用本文提出的综合截渗技术后的渗流计算结果进行对比，如表4所示。

表4 渗流计算结果对比

如表4的渗流计算结果所示，试验选取的三处大屯闸堤坝断面目前出逸点的最大渗透坡降较大，高于堤身允许的渗透坡降，无法有效地进行东鱼河的防渗工作。通过本文提出的综合截渗技术处理后，出逸高度、渗流量与最大渗透坡降均有大幅度地下降，满足大屯闸渗流稳定的要求，能够达到除险加固的目的。

4 结 语

本文根据堤坝的特征与分布规律，基于堤坝防渗的要求与设计原则，确定具体的截渗方案，提出的基于综合截渗技术的东鱼河大屯闸除险加固设计。试验证明，本文提出的除险加固设计能够有效地降低堤坝断面的渗流量、渗降坡度以及出逸高度，满足大屯闸渗流稳定的要求，达到除险加固的目的。