水泥土在涵洞式水閘基礎防滲中的應用分析

李聰磊

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

國民經濟的迅速崛起推動了水利事業的不斷發展，水閘作為水利樞紐的重要組成部分，具有明顯的經濟效益、社會效益。平原區涵洞式水閘是比較常見的水閘形式之一，其作為主要灌、排水通道，分布廣泛，意義重大，一般下穿堤身而建，洞身相對較長[1]。根據有關文獻，因滲透穩定問題而引起水利工程失事的案例時有發生，60%以上的堤坡失穩是由滲流破壞引起的[2]，而在水閘失事中該比例約為32.8%[3]。涵洞式水閘作為主要穿堤建筑物，工程規模一般較小，投資不大，洞頂以上覆土相對較厚，設計人員更加注重地基承載力的影響，而閘基滲透穩定問題并未引起足夠重視。涵洞式水閘一旦建成后，洞頂以上為堤身回填土覆蓋，閘基的滲透破壞具有明顯的隱蔽性，而這種滲透破壞一旦發生卻很難補救[4]。鑒于此，本文以安徽省沱河右岸勝利溝涵為典型工程實例，采用有限元軟件Autobank進行穩定滲流仿真計算，對比分析不同水泥土換填厚度對閘基滲透穩定的影響規律，在此基礎上提出具有可操作性、經濟性的防滲處理措施，可為類似工程提供參考和依據。

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

勝利溝涵位于安徽省沱河右岸，隸屬蚌埠市固鎮縣境內，為勝利溝與沱河交匯處的主要排水通道，是典型的涵洞式水閘，控制流域面積為7.5 km2，所在堤防級別為5級。該閘建于1975年，年久失修，結構破損嚴重，工程安全問題較為突出，結合安全鑒定結果，需拆除重建。根據規劃設計條件，新建勝利溝涵具有防洪、排澇、蓄水等功能，水位條件見表1(1985國家高程基準，余同)。

表1 規劃水位條件

勝利溝涵采用鋼筋混凝土箱型結構，單孔，孔徑為3.0 m×3.0 m(寬×高)，水閘底板頂面高程為18.10 m，底板厚為0.5 m，洞身長為37.0 m，洞頂以上覆土厚度為2.6 m。根據設計流量、功能和所在堤防等級確定該水閘為Ⅳ等小(1)型水閘，洞身等主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級。

2.2 地質條件

根據地質鉆孔勘探及室內試驗成果，閘址建基面以下地層主要為重粉質壤土與砂壤土互層，各土層相關指標見表2所示。

表2 閘址處建基面以下地層分布及主要參數

閘址處地下水類型主要為孔隙水，廣泛賦存于重粉質壤土和砂壤土中，受大氣降水、河水等地表水補給，與表層水水力聯系密切，隨季節變化起伏。此外，②1層與③1層砂壤土含水層具有承壓性，且埋藏較深，其對涵洞式水閘底板具有較強的頂托作用，對閘室底板結構穩定不利。

3 模型的建立及參數選取

3.1 模型的建立

采用有限元單元法對閘室底板進行滲流模擬計算的理論已十分成熟[5-7]，本文根據二維穩定滲流場有限元法基本理論[8-9]，分別對該涵洞式水閘天然地基和不同水泥土換填厚度下的閘基滲流進行模擬分析。取最不利工況進行計算，閘上水位為21.20 m，閘下側水位為18.10 m，最大水頭差為3.1 m。模型范圍示意見圖1～2。

圖1 天然地基模型范圍示意(單位:m)

圖2 水泥土換填模型范圍示意(單位:m)

3.2 參數選取

水泥土一般是由水泥、外加劑、水拌和后摻入一定量的重粉質壤土或粘性土組成，通過水泥中礦物與土中的水分發生一系列物理化學反應[10]，從而使其結構致密，增強水泥土強度，提高水泥土抗滲性能。按設計要求，水泥摻入比為10%，壓實度不小于0.96。根據相關文獻[11-13]，在本次設計條件下，水泥土滲透系數大致為2.0×10-10～8.0×10-10m/s。結合本地區類似工程經驗，水泥土滲透系數取為5.0×10-10m/s，其余土層的滲透系數見表2。

4 計算結果及分析

Autobank是比較常見的有限元分析軟件，具有原理明確、結果可靠、操作便捷、界面友好等特點。本文通過Autobank對閘室底板進行滲流模擬計算，分析不同水泥土換填厚度下閘室底板滲透穩定的變化規律。

4.1 天然地基滲流模擬分析計算

當閘址處未進行地基處理時，即為天然地基，根據天然地基模型進行有限元計算，得到此時的最大滲透出逸比降以及單寬滲流量，其中水頭分布等值線見圖3。

圖3 天然地基滲流等值線示意(單位:m)

根據圖3，水頭損失主要發生在閘下游滲流出口處的②層重粉質壤土覆蓋層中，說明微弱透水層能顯著提高水閘底板的防滲效果，提高滲透穩定。通過計算，單寬滲流量為4.64×10-7m3/s，最大出逸比降為1.21，遠大于②層重粉質壤土層的允許坡降0.45，不滿足設計要求，易發生閘基滲透破壞，需要進行地基處理。

4.2 水泥土換填后滲流模擬分析計算

閘室建基面下臥土層挖除后，采用水泥摻量為10%的水泥土換填處理，壓實度按不小于0.96控制，分別計算換填厚度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m的最大滲透出逸比降、單寬滲流量，計算結果見表3，其中換填厚度為2.0 m的水頭分布等值線如圖4所示。

表3 水泥土不同換填厚度下的計算結果

圖4 水泥土換填后滲流等值線示意(單位:m)

根據圖4，涵洞式水閘閘室底板采用水泥土換填后，引起地基土層滲透系數的降低，增強了閘室底板土層的防滲效果，水頭損失更多發生在滲透系數較小的水泥土換填土層和滲流出口處的②層重粉質壤土覆蓋層中，而在透水砂層內部的水頭損失則很小，說明在透水砂基中采用水泥土換填是可行的。

由表3可知，隨著水泥土換填厚度的增加，最大滲透出逸比降和單寬滲流量均逐步降低，說明水泥土對于閘室基礎防滲有良好作用。在換填厚度為2.0 m時，單寬滲流量為3.7×10-9m3/s，約為天然地基下單寬滲流量的0.8%，而此時最大滲透出逸比降為0.42，約為天然地基下最大出逸比降的35%，同時也小于滲流出口土層②的允許坡降0.45，說明在本工程條件下換填厚度大于2.0 m時可保證最大滲透出逸比降在許可范圍之內，且顯著降低單寬滲流量，確保滿足設計要求。因此，在滿足滲透穩定要求的前提下，水泥土換填厚度需通過分析計算合理確定，選擇最優換填深度，達到安全穩定、經濟合理的目標。

5 防滲處理措施

根據上述有限元模擬分析結果，涵洞式水閘基礎防滲采用水泥土換填在一定程度上是可行的。水泥土換填具有施工簡易、技術成熟、質量可控、經濟合理、就地取材等優點。鑒于此，對于工程規模較小、投資有限的涵洞式水閘建筑物，在下臥透水砂層不厚的情況下一般不宜采用復雜的防滲處理措施，而采用水泥土換填處理是合理的。水泥土換填施工中需嚴格控制土的含水率和水泥摻入比[18]，注重施工中的攤鋪碾壓工序、工后養護及質量檢測，達到閘室底板防滲的質量目標。

為保證閘室底板滲透穩定，增強其安全富裕度，也可在下游消力池底板增設反濾排水設施，如排水管、減壓井等，進一步降低閘底板滲透壓力[14]，提高底板滲透穩定性。對于深厚透水砂基上工程規模較大、建筑物級別較高的重要水閘，水泥土換填具有一定的局限性，受到土層開挖深度的限制，此時宜采用防滲墻技術。根據相關文獻資料[15-17]，防滲墻對閘底板防滲具有較滿意的防滲效果。水閘底板防滲設計需因地制宜，綜合分析，多方案比較和論證，最終選擇可操作強、經濟合理的防滲處理措施。

6 結語

在透水砂基中，水閘底板的滲透穩定是影響工程安全的決定性因素。本文通過有限元軟件Autobank，結合工程實例對涵洞式水閘進行二維穩定滲流仿真分析計算，得出以下結論：① 采用水泥土換填可以有效降低滲流量和最大出逸比降，提高閘底板滲透穩定，滿足設計要求；② 水泥土換填在小型水閘工程中具有較強的適用性，而對于建筑物級別較高的大中型水閘，則需考慮采用防滲墻技術。

在實際水利工程中，水泥土換填更多地用于提高地基的豎向承載力，而在閘室基礎防滲方面較少應用。本文通過工程實例模擬分析，進一步論證了水泥土換填在提高基礎滲透穩定方面的可行性和合理性，類似工程中可將地基承載力與底板滲透穩定性的提高統一考慮。