基于砂卵礫石閘基允許滲流坡降值取值的探討

張豐良

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000)

1 砂卵礫石閘基允許滲流坡降值的計算

1.1 允許滲流坡降值的計算方法

水閘砂卵礫石閘基滲流出口處沿底板與地基土的接觸面通常易發(fā)生滲透變形，進行閘基防滲布置時必須保證滲流出口段和沿閘基底板底面水平段的滲流坡降不得超過其允許值，而滲流坡降允許值可根據(jù)各種土沿著不同滲流方向出現(xiàn)滲流破壞的臨界坡降來確定，此臨界坡降則可采用近似計算法計算求得［1］。

1)根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487—2008 附錄G 土的滲透變形判別的有關(guān)內(nèi)容進行臨界水力比降及允許水力比降的確定。

如果閘基土為砂卵礫石無黏性土，其滲透破壞形式為管涌，臨界水力比降Jcr 值計算公式為:

式中:Jcr為臨界水力比降;GS為土的顆粒密度與水的密度之比;n 為土的孔隙率，%;d5為占總土重的5%的土粒粒徑，mm;d20為占總土重的20%的土粒粒徑，mm。

按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)附錄G 第0.7 規(guī)定可采用下述公式計算:

式中:m 為安全系數(shù)，取1.5 ～2。

2)根據(jù)《水閘設計規(guī)范》SL265—2001 中6.0.5滲透變形判別的有關(guān)內(nèi)容進行允許水力比降的確定。

如果閘基土為砂卵礫石無黏性土，其滲透破壞形式為管涌的允許滲流坡降計算公式為:

式中:［J］為防止管涌破壞的允許滲流坡降值;n 為土的孔隙率，%;d5為占總土重的5%的土粒粒徑，mm;K為防止管涌破壞的安全系數(shù)，可采用1.5 ～2.0;df為閘基土的粗細顆粒分界粒徑;Pf為小于df的土粒粒徑的百分含量，%，(Pf值為計算出df值查該地基土試驗顆分曲線圖上對應的細顆粒粒徑的百分含量)。

從以上2 種計算公式可以看出，在地質(zhì)條件相同的情況下由于所采用的參數(shù)不同，計算值肯定存在差別，而且采用以上公式首先得確定其破壞形式為管涌。

1.2 砂卵礫石閘基滲透破壞形式的判別

滲透變形破壞形式一般可分為流土、管涌、接觸沖刷和接觸流土等。產(chǎn)生滲透變形的因素，主要是土的性質(zhì)以及水的條件，研究滲透變形的目的，在于確定土體能夠承受的滲流坡降。總體來講，黏性土地基只可能出現(xiàn)流土，不會發(fā)生管涌，非黏性土即可能出現(xiàn)管涌，也可能出現(xiàn)流土。水閘地基若為砂卵礫石無黏性地基時，應首先判斷可能發(fā)生的滲流破壞形式是流土破壞還是管涌破壞，然后計算允許滲流坡降值。

依以上兩種計算公式對應的閘基土為砂卵礫石無黏性土來分別論述滲透破壞形式判別的方法。

1)根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487—2008 附錄G 土的滲透變形判別的有關(guān)內(nèi)容進行，若閘基以砂卵礫石無黏性土，其滲透變形破壞形式的判別方法。

首先確定細顆粒的含量:

級配不連續(xù)的土:級配曲線中至少有一個以上的粒徑級的顆粒含量≤3%的平緩段，粗細粒的區(qū)分粒徑df以平緩段粒徑級的最大和最小粒徑的平均粒徑區(qū)分，或以最小粒徑為區(qū)分粒徑。

級配連續(xù)的土:粗、細顆粒的區(qū)分粒徑為:

式中:df為粗細粒的區(qū)分粒徑，mm;d70為小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm;d10為小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

其次依據(jù)df值查該地基土顆分曲線圖上對應的細顆粒粒徑的百分含量(Pf)，同時依據(jù)該地基土若為不均勻系數(shù)＜5 的土可判為流土;若為不均勻系數(shù)＞5 的土，采用以下方法判別:①Pf≥35%，為流土破壞;②25%≤Pf＜35%，為過渡性破壞;③Pf＜25%，為管涌破壞。

其中:Pf為土的細顆粒含量，以質(zhì)量百分率計，%。

2)根據(jù)《水閘設計規(guī)范》SL265—2001 中6.0.5滲透變形判別的有關(guān)內(nèi)容進行，若閘基以砂卵礫石無黏性土，其滲透變形破壞形式的判別方法。

首先閘基土的粗細顆粒分界粒徑:

式中:df為閘基土的粗細顆粒分界粒徑;d15、d85為閘基土顆粒級配曲線上＜含量15%、85%的粒徑，mm;其次依據(jù)df值查該地基土顆分曲線圖上對應的細顆粒粒徑的百分含量(Pf)及閘基土的孔隙率來判別破壞形式:當4Pf(1 － n)＞1.0 時，為流土破壞;當4Pf(1 － n)＜1.0 時，為管涌破壞;n 為閘基土的孔隙率;Pf為＜df的土粒百分含量，%。

2 砂卵礫石閘基允許滲流坡降值取值的探討

2.1 工程概況

紅山嘴水閘除險加固工程是一個以灌溉為主的引水樞紐，控制灌溉面積約21.09萬hm2，該工程等別屬Ⅱ等大(2)型工程，其主要建筑物級別為2 級，主要建筑物由進水閘、沖沙閘、泄洪閘等建筑物組成。工程地質(zhì)條件:考慮設計期間水閘必須運行，地勘取樣在閘前及周圍，進水閘及沖沙閘地基巖性為青灰色砂卵礫石及泥巖，砂卵礫石厚度4.5 ～5.0 m，孔隙率33.6%，比重2.7，泥巖強風化層厚0.5 ～1.2 m，弱風化層厚1.6 ～3.1 m。泄洪閘基礎(chǔ)地基巖性為砂卵礫石及泥巖，砂卵礫石厚度2.4 ～5.3 m，孔隙率33.6%，比重2.7，泥巖強風化層厚0.5 ～1.2 m，弱風化層厚1.6 ～3.1 m，進水閘及沖沙閘閘基土顆分曲線圖見圖1，泄洪閘閘基土顆分曲線圖見圖2。

圖1 進水閘及沖沙閘閘基土顆分曲線圖

圖2 泄洪閘閘基土顆分曲線圖

根據(jù)實例工程地質(zhì)條件及地質(zhì)試驗資料，分別進行砂卵礫石滲透破壞形式判別及閘基允許滲流坡降值的計算取值分析。

2.2 閘基滲透變形形式的判別

通過設計實踐分別采用地質(zhì)方法與水閘規(guī)范中的方法判別滲透破壞形式，結(jié)果見表1。

表1 閘基滲透變形破壞形式判別

計算結(jié)果表明，兩種方法雖采用的粗細顆粒分界粒徑確定方法不同，值也不同，但根據(jù)不同的判別公式確定的結(jié)果基本一致，說明兩種方法都是可行的。

2.3 閘基允許水力比降計算

通過設計實踐分別采用地質(zhì)規(guī)范與水閘規(guī)范中砂卵礫石閘基允許滲流坡降值計算方法，結(jié)果見表2。

表2 閘基滲透變形允許滲流坡降值

計算結(jié)果表明，兩種方法采用的計算公式不同，計算值比較接近，根據(jù)其他已建工程地質(zhì)條件類似的的允許滲流坡降值取值，本實例工程的計算值相對偏小。地質(zhì)專業(yè)根據(jù)地質(zhì)規(guī)范計算的上表中允許滲流坡降值偏小，考慮到地質(zhì)資料不一定具有代表性的因素，因此給設計提供了根據(jù)規(guī)范上發(fā)生管涌允許滲流坡降值的建議值(即無資料時規(guī)范提出的最小值)，未采用計算的偏小值。若設計初期采用上表中水閘規(guī)范計算的值，那么所采取的防止?jié)B透變形措施工程投資將增大很多，必須采取相應措施:①布置防滲輪廓線，在滲流出口處打短板樁，或設置較深的齒墻;②在護坦或海漫的下面，滲流出口處布置濾層，增加地基的抗?jié)B穩(wěn)定性。

因此本實例首先采用了地質(zhì)依據(jù)規(guī)范提供的建議值進行設計，同時考慮了因加固前未出現(xiàn)過滲透破壞，并依據(jù)該工程安全鑒定結(jié)論加固前閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性滿足要求，而且本次設計閘基防滲長度比加固前長;在施工開挖后因該工程閘室基礎(chǔ)處實際砂卵礫石厚度為0.1 ～0.8 m，最終將砂卵礫石層全部清除到基巖面，并優(yōu)化了閘基防滲長度，節(jié)省了工程投資。

3 結(jié) 語

在除險加固水閘設計中，允許滲流坡降值的采用，對水閘的工程造價關(guān)系極大，通過對紅山嘴水閘除險加固實例計算所得的允許滲流坡降值偏小來進行合理的設計，總結(jié)如下:①首先采用地質(zhì)依據(jù)規(guī)范提供的建議值作為初期設計值;②同時考慮加固前是否出現(xiàn)過滲透破壞這個因素;③在施工開挖后依據(jù)實際地基地質(zhì)資料進行進一步的復核優(yōu)化設計。

對允許滲流坡降值的采用還應結(jié)合水閘的功能特點、運用要求及其它具體情況也應綜合考慮，選取采用合適的允許滲流坡降值，以此縮減閘室總長，降低工程投資。

［1］陳寶華，張世儒. 水閘［M］. 北京:中國水利水電出版社，2003:23 －30.