土基水閘滲流穩定分析與防滲措施探討

安普太

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原030024）

土基水閘滲流穩定分析與防滲措施探討

安普太

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原030024）

本文闡述了土基水閘滲流計算的各種方法，通過實例介紹了閘基滲流穩定計算和水閘繞滲計算過程，提出了解決閘基滲流和水閘繞滲的防滲措施，以及有關設計思路。

土基；水閘；滲流穩定

引 言

建在土基上的水閘，在滲透水流的作用下，容易產生滲流變形，特別是粉、細砂地基，在閘后易出現翻砂冒水現象，嚴重時閘基和兩岸會被掏空，引起水閘沉降、傾斜、斷裂甚至倒塌。所以，在設計時需做好防滲排水設計，在水閘上游布置防滲鋪蓋、垂直防滲等防滲設施，特別是上游兩岸連接建筑物及其與鋪蓋的連接部分，要在空間上形成防滲整體。

水閘滲流計算，主要在于求解滲流區域內的滲流壓力、滲流坡降、滲流流速及滲流量等。在水閘設計中，通常根據水閘兩側的填土情況，除了閘基滲流穩定計算外，還需對水閘側向繞滲進行計算。

常見的滲流理論計算方法有直線比例法（又稱滲徑系數法）、直線展開法、改進阻力系數法、流網法等。直線比例法計算精度較差，不宜采用；直線展開法只適用于地基條件不復雜且閘基防滲布置比較簡單的中、小型水閘工程；改進阻力系數法是由我國南科院研究人員在研究阻力系數法的基礎上提出來的，既擴大了計算范圍，又提高了計算精度，是目前普遍采用的一種較精確的計算方法；流網法也是采用較多的一種方法，但是需要按規定的原則編制流網，較為復雜。下面介紹采用改進阻力系數法進行水閘滲流穩定計算。

1 閘基滲流穩定計算

某均質土壩中部布置泄水沖沙閘，地基土為較厚的低液限粘土。校核洪水位為416.81m，閘底高程為403.00m，進口圓弧段長18.2m，底板厚0.8m；上游鋪蓋段長15m，厚0.8m；閘室段長27m，底板厚2.0m；后接下游連接段和下挖式消力池以及海曼段。計算簡圖如圖1。

根據《水閘設計規范》（SL265-2001）中附錄C.2改進阻力系數法相關公式進行計算。計算的步驟為:（1）確定水閘地基有效深度；（2）對進出口段、內部垂直段、內部水平段分別計算各分段阻力系數；（3）各分段水頭損失；（4）進出口水頭損失修正；（5）出逸坡降計算。計算成果見表1。

閘底板水平段滲透坡降和滲流出口處坡降的計算:

（1）滲流出口處平均坡降計算為:

（2）底板水平段平均滲透坡降為:

查地質報告可知，本工程的閘室地基為低液限粘土，滲透允許坡降為0.53，計算值均不小于此值，滿足要求。

從計算成果表可知，進口水平段和鋪蓋水平段阻力系數分別為0.58和0.39，均超過總阻力系數的10%以上，所占比重較大，所以在粘土地基的水閘中，由于板樁防滲墻的透水性與粘性土的透水性相差不大，多用防滲鋪蓋來增加防滲長度更為合理。此外，內部垂直段和內部水平段的阻力系數相比，垂直段的阻力系數大于水平段的系數數倍，所以在水閘閘基內部分段中，垂直防滲的效果更為顯著。但是具體選用何種防滲方式，在實際設計過程，還需結合水閘的整體布置確定，采用延長上游鋪蓋段不夠經濟時，可采用適當增加底板齒墻深度的方法來處理。

圖1 閘基滲流計算簡圖

表1 水閘閘基滲流計算成果

2 閘室側向滲流穩定計算

當水閘建成擋水后，除閘基滲流外，滲水還從上游高水位經閘的兩側填土層流向下游，即側向繞滲。在閘壩式擋水建筑物中，尤其兩側均為均質土壩時，側向繞滲問題尤為重要。側向繞滲對邊墩、上下游翼墻施加側向水平壓力，在填土與岸翼墻接觸面上和滲流出口處都可能會產生滲透變形。所以，閘室側向滲流穩定計算非常必要，也非常重要。

《水閘設計規范》中第6.0.3條規定:當岸墻、翼墻墻后土層的滲透系數小于或等于地基土的滲透系數時，側向滲透壓力可近似地采用相對應部位的水閘閘底正向滲透壓力計算值。本實例中，水閘兩側均為壩體，滲透系數小于地基土，墻后的側向繞滲屬于有壓滲流［1］。《水工設計手冊》（第二版）第7卷泄水與過壩建筑物分冊以及《取水輸水建筑物叢書》水閘分冊中水閘側岸繞滲計算方法均相同，引入了化引水頭hr，則繞滲水流在計算處的水深h為［3-4］:

式中:h1、h2—上、下游邊界處水深，m；hr—化引水頭，m。

應用改進阻力系數法也可求出hr，因其中△H=h1-h2，hi為計算點i處至滲流出口處的水頭差，（∑ξ）0～i為滲流出口處至i點之間各段阻力系數之和，∑ξ為岸、翼墻背面全部阻力系數之和。將hri及上、下游水深代入上式，即可算出i點的滲流水深。

為增加側向滲徑，除了考慮水閘的上、下游翼墻的作用外，還可在邊墻或岸墻后面設置一道或數道防滲刺墻，在閘室邊墩后共設置了3道刺墻。計算簡圖如圖2，計算成果見表2。

閘室側向繞滲出口處坡降:

本工程的閘室兩側為均質土壩，根據地質資料，壩體材料的滲透允許坡降為0.49，計算值均不大于此值，滿足要求。

《碾壓土石壩設計規范》第7.2.3條規定，壩體與混凝土建筑物采用側墻式連接時，土質防滲體與混凝土面結合的坡度不宜陡于1∶0.25［2］。所以，為了保證壩體施工質量，與土壩接觸的閘室邊墩的外邊坡不宜陡于規范值。此外，為保證水閘兩側的壩體（填土）滲流穩定，采取增加側向滲徑的辦法，設置了刺墻。

刺墻在平面圖上一般垂直于水閘軸向（或平行于壩軸線）設置，刺墻的高度應高出繞滲自由水面，刺墻底板高程一般與閘底板齊平，刺墻厚度根據防滲要求及受力大小而定。刺墻長度一般可達上、下游水位差的1～3倍，在具體設計時，還需進行試算確定刺墻的道數和長度。

圖2 繞滲計算簡圖

表2 水閘側向繞滲計算成果表

3 結論

從以上對土基閘基滲流計算和水閘側向繞滲計算結果以及采取的相應防治措施中可以得出以下結論:

（1）土基上的閘室以及土層相對簡單的水閘采用阻力系數法基本能滿足工程設計需要。

（2）從閘基滲流穩定計算可知，在粘土地基中，采用防滲鋪蓋來增加滲徑更為經濟合理。

（3）在防滲措施中，垂直防滲比水平防滲效果更為顯著，應優先考慮板樁或齒墻。

（4）為保證水閘兩側土壩的滲透穩定，設置刺墻對于增加側向滲徑的措施效果明顯。在初步擬定刺墻長度和間距時，應保證刺墻間距不小于相鄰兩道刺墻總長的0.7倍，如果不滿足出逸比降，則需要增加刺墻道數。

［1］SL265-2001.水閘設計規范［S］.

［2］SL274-2001.碾壓土石壩設計規范［S］.

［3］水利部水規總院.水工設計手冊（第二版）第7卷泄水與過壩建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，2014:546.

［4］陳寶華，張世儒.取水輸水建筑物叢書-水閘分冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2003:106～112，154～157.

TV223

A

1672-2469（2015）10-0077-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.24

安普太（1983年—），男，工程師。