基于渗径系数法的枞阳闸抗渗性能检测

宋东国

（安庆市长江河道管理处三分处，安徽 安庆 246000）

在大型水利工程项目中，水闸发挥及其重要的作用，也在项目整体中占有十分重要的地位。因此，水闸安全也是整个水利工程项目安全的核心所在[1]。为了确保水闸安全，必须要定期和不定期地对水闸进行安全检测。水闸安全检测的内容很多，仅对水闸构成组件的检测就多达十几种，如闸墩检测、排架柱检测、工作桥检测、翼墙检测、护坡检测以及闸门检测等[2]。此外，还需要对水闸整体进行抗渗检测、防冲检测、稳定性检测等[3]。因此，水闸检测不仅内容多，还需要准确高效的检测方法。该文以枞阳闸为具体研究对象，对威胁闸体安全最大的抗渗性能展开深入分析。

1 枞阳闸概况及其工程结构

1.1 枞阳闸概况

枞阳闸位于安徽省安庆市长江下游，它是菜子湖流域内唯一的通江水闸，因此也称菜子湖闸。枞阳闸通过长河和菜子湖连通，通过夹江河道和长江连通，控制的流域面积超过3000 km2。枞阳闸是一座功能齐备的大型水闸，综合了防洪功能、泄洪功能、排涝功能和引水灌溉功能。在汛期，枞阳闸发挥其防洪、泄洪以及排涝功能，防洪面积近200 km2，排涝面积近100 km2。在干旱季节，枞阳闸发挥其蓄水灌溉功能，灌溉面积超过200 km2。 可见，枞阳闸在菜子湖流域内所发挥的巨大作用。

枞阳闸的历史非常悠久，是20世纪50年代省巢滁皖规划的大型水利工程项目。1958年，枞阳闸开始兴建，并于1959年建成投入使用。截止到2022年，枞阳闸的服务年限已经超过63 年。为了确保闸基安全，枞阳闸选址在白鹤峰山脚，此处和河道呈现出明显的S型。

枞阳闸系建造在岩基上的圬工水闸，设计最大排水流量1150 m3/s，校核排水流量为1288 m3/s，为安徽省沿江大型水闸之一。闸身由泄流孔和发电孔组成（发电孔目前已封闭），泄洪孔共10 孔，每孔净宽4.5 m，净高5.35 m，闸底槛高程6.75 m（吴淞高程，下同），闸室总宽度63.0 m，净宽49.8m，闸底板长20.0 m，可控制闸门10扇，闸门为潜孔式平面钢闸门，每扇门重82.2 kN，配置10台单吊点卷扬式启闭机，启闭力为250 kN，启闭机台高程27.45 m，建有启闭机房，设有主控制室，配备自动化控制系统进行运用，并及时采集闸门开度、荷重、水位等信息。

1.2 枞阳闸的工程结构

枞阳闸的工程结构，主要包括闸室、闸堤连接段、启闭设备和闸门、消能设施、上下游翼墙等部分，其结构如图1所示。

图1 枞阳闸的结构图

1.2.1 闸室

该闸闸室为钢筋砼开敞式十孔一联的整体结构，底板顶高程6.7 m，底部0.3 m浆砌条石上覆0.2 m厚钢筋混凝土面层；闸孔顶高程（即胸墙底高程）12.01 m，每孔净宽4.5 m，净高5.4 m，闸孔净尺寸为4.5 m×5.4 m；闸顶公路桥桥面高程为19.45 m，两个发电孔，发电孔已封闭；闸孔过水总净宽49.8 m，墩厚0.5 m，闸室总宽度（垂直流向）63.0 m，顺流向上下游建筑总长约（顺水流向）150 m；控制闸门10樘，平面钢闸门，装10台20 t卷扬式启闭机，启闭机高程27.45 m，建有启闭机房。

1.2.2 闸堤连接段

闸室与江堤间用钢筋砼引桥连接，引桥两侧填土采用锥坡，闸室顶设有汽-10级公路桥一座，桥面高程19.45 m（即闸顶高程）与江堤堤顶同高，桥面宽9.0 m。

1.2.3 启闭设备和闸门

启闭机房设在闸顶临江侧，位于排架顶部，排架顶高程27.00 m。启闭机房采用砖混结构，宽4.8 m，长25 m，房顶高程31.15 m，启闭机房安放10 台QPQ-40型卷扬式启闭机。启闭机房两侧设置钢螺旋楼梯供管理人员上下。

1.2.4 消能设施

闸室上游（临江侧）设有消力池，采用150#钢筋砼浇筑，厚0.4 m，总长31.5 m，池深1.5 m，池底高程3.7 m，消力池与闸室间以1∶6坡相接；消力池后接15 m长的护坦，原护坦长6 m，后进行加固，在原干砌条石上浇筑厚200 mm的C20钢筋混凝土，加固护坦后又新增9 m长C20钢筋混凝土护坦，护坦底高程6.7 m，厚0.4 m；护坦后接44 m长干砌块石海漫，海漫顶面坡度1∶6，厚0.4 m，首端高程6.7 m，末端高程6.4 m。海漫末端设抛石防冲槽，深1.17 m，长10 m。

1.2.5 上下游翼墙

闸上游（临江侧）岸墙，为一半径R=30.0 m的圆弧墙与岸坡相接，其结构形式为浆砌块石重力式。墙顶高程14.0 m，底板底部高程3.7 m。闸下游岸墙的首段，平面布置呈八字形，扩散角为12 度。尾段用一半径R=45 m的圆弧墙插入堤岸，结构形式为重力式。墙顶高程为16.50 m，底板底部高程6.7 m。

2 枞阳闸抗渗性能分析

枞阳闸抗渗性能检测采用渗径系数法校核闸基防渗长度，采用改进阻力系数法计算闸基底部渗透压力。

2.1 渗径系数法验算渗径长度

根据水闸抗渗安全规范要求，可用渗径系数法确定闸基防渗长度。

抗渗复核采用莱恩系数法进行计算，其计算如公式（1）所示。

式中：参数L表示闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度总和；参数C表示允许渗径系数值，考虑枞阳闸闸基主要为粗面安山岩，迎江侧消力池和护坦底部均为重壤土，按照SL265-2001要求，一般C=7～4（无滤层）。由于闸基未设板桩，本计算C取用大值7； 参数△H为水闸承受的最大上下游水位差，根据枞阳闸的实际情况，有△H=18.95-12.88=6.07 m。

水闸抗渗安全规范SL265-2001规定的允许渗径系数值见表1。

表1 SL265-2001规定的允许渗径系数值（单位：μm）

考虑汛期防洪的实际工况需求，此处的渗径长度设置如公式（2）所示。

如果水闸的止水设备完好无损并且正常工作，那么其地下渗透轮廓线水平总长的计算应如公式（3）所示。

式中：参数Ln表示正常长度，Lv表示正常长度偏离值。

对比上述两个参数的计算结果，L实≥L。这表明，渗径长度的计算，满足枞阳闸的实际抗渗需求。

2.2 改进阻力系数法

使用渗径系数的同时，还需要进一步校验水闸的抗渗稳定性。根据SL265-2001规定，此处选择改进阻力系数法完成枞阳闸的抗渗稳定性校验。根据枞阳闸的结构设计，底板临江一侧建造了消力池，临湖一侧建造了浆砌石铺盖，铺盖末端设置排水孔，铺盖下面设置了反滤部分。据此，抗渗稳定性的渗流计算区域如图2所示。

图2 抗渗稳定性的渗流计算区域

从图2可以看出，受到枞阳闸结构因素的限制，其渗流计算一共划分了15个区域，各个区域的跨度长短不一，有的达到18 000 cm，有的则只有几百厘米。

根据助力系数法计算出的枞阳闸底板各渗流区段几何参数和阻力系数见表2。

从表2中的结果可以看出：枞阳闸整个工程底板的渗流区段共划分为15个区段，各区段的阻力系数存在明显的差异。例如，第4号渗流区段的区段类型为水平段，关键几何参数为2.135，阻力系数为4.676，处于非常高的水平。第8号渗流区段的区段类型为水平段，关键几何参数为0.026，阻力系数为0.058，处于非常低的水平。第12号渗流区段的区段类型为水平段，关键几何参数为0.026，阻力系数为0.058，处于非常低的水平。可见，在枞阳闸15个渗流区段中，第4段的阻力系数最大，第8段、第12段的阻力系数最小。

表2 底板各渗流区段几何参数和阻力系数

枞阳闸水位各区段渗区水头损失计算结果见表3。

表3 设计水位各区段渗区水头损失计算表（阻力系数法）

从表3中的结果可以看出：枞阳闸各区段渗区水头损失也存在明显的差异，各区段并不相同。枞阳闸水位各区段的水头损失计算结果中，第4段为水平段，其渗区水头损失最大，达到了2.135，第8段、第12段同样为水平段，其渗区水头损失最小，只有0.026。其余各段的渗区水头损失则处在这两个值的中间。可见，针对不同区段的情况，根据渗区水头损失的差异，应进行有针对性的差异化处理。

枞阳闸水位各区段渗区水头计算结果见表4。

表4 设计水位各区段渗区水头计算表（阻力系数法）

从渗压水头的计算结果可以看出，从H1到H16这16个水头的水头值依次减小，这一结果同前面几组参数的结果相比具有明显的规律性，呈现出逐级渐变的趋势。其中，渗压水头H1的水头值为6.070，渗压水头H8的水头值为1.839，而到了渗压水头H16，水头值迅速下降到0.001，趋近于0。

进一步分析，枞阳闸底板各段所承受的渗透压强的具体分布情况如图3所示。

图3 底板渗透压力分布（单位：kPa）

从图3可以看出，枞阳闸底板各段所受的压强，从右向左依次增大，最右侧部分所受的压强在0 kPa～0.24 kPa变化，而到最左侧部分所受的压强在1.839 kPa～1.925 kPa变化。

2.3 渗流坡降的计算

根据渗流坡降的计算结果，枞阳闸的水平渗透坡降如公式（4）所示。

根据渗流坡降的计算结果，枞阳闸出口渗透坡降如公式（5）所示。

考虑枞阳闸底板土层的土质主要为壤土，设定许用渗透坡降如下：1）水平许用坡降[J]= 0.25～0.35，进一步考虑河道中淤积情况，为防止冒水孔发生堵塞，取用[Jx]=0.25。2）出口许用渗透坡降[J]=0.5～0.6，进一步考虑消力池海漫严重淤积，为防止冒水孔堵塞、反滤失效，计算中取[J]=0.5。

2.4 抗渗稳定性评估

首先，根据枞阳闸的实际使用情况，尤其是在水位较高的情况下，闸基可能已经出现渗水。结合闸底板的实际情况和抗渗性能的分析结果，枞阳闸闸基存在一定渗流隐患。

其次，枞阳闸上、下游护坦出现了部分折损，间接表明了渗流出口处遭受到一定程度破坏，这也会给枞阳闸闸基埋下一定的安全隐患。而闸基整体是否存在裂缝，还需要进一步检测。

最后，枞阳闸在上游铺盖、下游消力池以及闸止水设施均正常工作的情况下，出逸坡降满足渗流稳定要求。渗径系数法和改进阻力系数法的校验显示，枞阳闸闸基整体渗流稳定性还是满足规范要求的，但存在一定渗流隐患。

3 结论

抗渗性能是水闸工程安全运行的重要技术指标，该文以枞阳闸为例，进行了水闸抗渗性能的研究工作。首先，该文对枞阳闸的工程概况进行了阐述，其工程结构包括闸室、闸堤连接段、启闭设备和闸门、消能设施以及上、下游翼墙等关键部分。其次，运用渗径系数法验算枞1839阳闸渗径长度，并运用改进阻力系数法进行校验。抗渗性能的分析结果显示：枞阳闸闸基渗流稳定检测计算满足规范要求，但也存在一定隐患，应进行定期检测并做好预防。