反壓閘在萬福低閘閘基滲控處理中的應用分析

陳 會，肖 燁

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430070)

修建于江河堤防線上的水閘，在滿足灌溉或排水功能的前提下，其防洪安全也是必須考慮的重點。其中，減小滲透變形對水閘及所在堤防工程安全的影響尤為重要。地基土體結構在滲流作用下發生的變化，統稱為滲透變形[1]；滲透變形對建筑物的破壞往往不可預見，一經發現，難以彌補。特別是建于粉砂地基上的水閘，因防滲設計不周致使發生滲透變形的事例屢見不鮮。萬福低閘粉砂層分布廣且深，一旦發生管涌等滲透變形，閘基易形成疏松帶或空洞，輕則削弱水閘擋水功能，重則使水閘傾斜、斷裂、塌陷[2]。本文針對萬福低閘粉砂地基狀況，在采用延長水平滲徑、水泥土攪拌樁垂直防滲墻的基礎上，通過AutoBank軟件計算，分析對比有無反壓閘對萬福低閘閘基滲控的處理效果。

1 萬福低閘滲控分析

1.1 工程概況

萬福低閘原址位于漢江左岸樁號125+690處，為穿堤自排水涵閘，主要排泄沉湖一帶漬水，系天門和漢川420 km2來水的總出口。原閘建設年代久遠，由于基礎差、施工不良、沉陷等原因，為保障防洪安全，該閘于1985年封堵。封堵后，沉湖地區抗災問題日益突出，自排能力大幅下降。經設計、批復，萬福低閘重建工程于2019年開始施工。該閘建基面主要為粉細砂層，且深層仍有粉砂分布，閘基防滲極為不利；加之近年來漢江汛情頻發，對重建后的萬福低閘滲控能力提出了更高的要求。

1.2 地質情況

工程區土層為第四系全新統(Q4)及上更新統(Q3)的沖、湖積物，土層成層性較好，厚度不均一，巖性變化不大。根據地質鉆探成果，閘基自上而下分別為粉細砂、砂壤土等互層、粘土、壤土、粉砂等；粉細砂層分布穩定，貫穿堤內外，閘基以下最厚約3.0 m，以粉砂為主，細砂次之，粘粒含量小于3%，為中密、飽和狀；粉砂層呈稍密、飽和狀，成分以石英、云母為主，頂板高程-0.50～-3.45 m，鉆探未揭穿。相關地層參數詳見表1。

表1 地基土體滲透變形參數

1.3 工程設計

萬福低閘設計排水流量100 m3/s，為2級水閘，底檻高程19.50 m，孔寬5.0 m，共2孔。建基面粉砂層出露，防滲措施是本次重建的設計重點。當閘基為粉土、粉細砂、輕砂壤土或輕質粉砂壤土時，閘室上游宜采用鋪蓋和垂直防滲體相結合的布置形式；垂直防滲體宜布置在閘室底板的上游端[3]；在滲流出口應設置級配良好的濾層，防止滲流出口處土體因滲透變形或流失而造成破壞。具體工程措施如下：

閘室長15 m，前接90 m長穿堤箱涵，閘室與箱涵間均設銅片止水，以形成不透水輪廓延長水平滲徑。在閘室底板上游端設置水泥土攪拌樁防滲墻[4]，樁體直徑0.5 m，雙排梅花形套接布置，深度約8 m，有效厚度0.4 m，閘室兩側適當延長以防止側向繞滲。關閘擋水時的滲流出口位于箱涵前連接段底板，設排水孔，下設三層反濾料。

然而，閘基粉砂層分布較廣，且鉆探顯示深層仍有粉砂層分布，層底未揭穿，垂直防滲體并未完全截斷其滲流通道。同時，近年來漢江汛情頻發，為進一步避免建成后出現滲透險情，充分保證萬福低閘汛期防御洪水的安全裕度，考慮在堤內增設一座配套反壓閘，汛期高水位時堤內反壓閘前蓄水反壓，以減少萬福低閘上下游水頭差，防止滲透破壞對防洪安全產生影響。蓄水反壓是一種水平衡壓滲法，順應并利用水流運動規律，其工作特點是壓而不堵，滲透水流的通道不被堵塞，在滲透變形搶護中實用且有效[5-6]。

反壓閘與箱涵進口相距約150 m，其間為連接建筑物及排水渠道。反壓閘底檻高程、孔口均與低閘同等設計。閘室前后設混凝土底板以實現自身防滲。

萬福低閘閘下為漢江，所在堤防處設計洪水位為32.85 m。因水閘使用年限較長，針對其穩定及防滲的加固相對較難，充分考慮涵閘整個使用期的防洪安全要求，確定萬福低閘設計防洪水位在堤防設計洪水位以上提高0.5 m，即為33.35 m。堤內河側最低水位為22.92 m。為實現反壓效果，設計反壓水位應大于內渠側最低水位；由于內河側排水渠頂高程26.50 m，預留1.5 m的水位超高，反壓閘閘前設計反壓水位取25.00 m。工程布置示意見圖1。

圖1 萬福低閘及配套反壓閘布置示意圖

1.4 閘基滲流穩定分析

計算采用二維滲流場有限元軟件AutoBank，該軟件在水工滲流計算方面針對性強，計算精度滿足要求[7]。分別對有無配套反壓閘情形下萬福低閘閘基滲流穩定進行計算，計算結果應以能滿足閘基滲流實際水力坡降小于允許值為準，即：

J≤J允

式中：J為實際水力坡降，滲流計算得出；J允為土層的允許坡降。

1.4.1 計算工況

閘址所在漢江段2021年汛期最高水位為32.43 m。

結合實際并根據相關規范，選取閘基滲流穩定風險較大的幾種水位組合進行計算。外江水位分別考慮2021年汛期最高水位32.43 m、堤防設計洪水位32.85 m、涵閘設防水位33.35 m，內河水位分別考慮無配套反壓閘情形的最低水位22.92 m、有配套反壓閘情形的設計反壓水位25.00 m，內外水位分別組合共6種計算工況。

1.4.2 計算結果

計算結果見表2。

表2 各工況滲流穩定計算結果

通過計算結果分析，無配套反壓閘時，堤內滲流水力坡降接近允許值，處于臨界狀態；表明對處于粉砂地基上的該閘而言，單一通過延長滲徑防滲的效果并不理想，對此類水閘宜采取多種防滲技術相結合的措施；配套反壓閘后，水力坡降一定程度上降低明顯，工程防滲效果增強。2021年萬福低閘及反壓閘安全度汛，運行狀態正常，與計算結果基本相符，可認為配套反壓閘的滲控處理措施得當有效。

需要注意的是，反壓閘削減萬福低閘水頭差的過程，其本質是將一部分水頭轉移到由其自身承受。因此，對反壓閘在設計反壓工況進行滲流穩定計算，計算水平段坡降0.0644，出口段坡降0.193，仍能滿足規范要求。

2 結 語

1)滲透變形問題對穿堤涵閘安全運行影響較大，需根據涵閘具體情況采取針對性的措施，必要時可采用多種防滲加固技術相結合的方式。

2)萬福低閘閘基粉砂層分布廣泛且深，水閘抵御高水位洪水時，延長滲徑在一定程度上未能起到有效減少水力坡降的作用，水力坡降計算值接近允許值，處于臨界狀態；為充分保證其抵御洪水的能力，需考慮適當的滲控輔助措施。

3)采取反壓措施后，萬福低閘承受水頭得以減小，水力坡降明顯降低，各工況計算值均小于允許值，證明反壓閘在本工程滲控處理中效果較好。2021年漢江汛期，萬福低閘與配套反壓閘安全度汛，狀態穩定，表明計算結果符合本工程實際，也說明采用的計算方法及土層物理參數適合本工程的情況。

4)反壓閘設置于渠道之上，自身能承受的水頭有限；采用反壓閘進行滲控處理時，應充分考慮其適用性，并確保其自身防滲安全。