涵洞式水闸黏土防渗体破坏机理研究

张开来，潘维宗，冯义武

（1.山东大学土建与水利学院，山东济南250061；2.山东省水利勘测设计院，山东济南250014）



涵洞式水闸黏土防渗体破坏机理研究

张开来1，潘维宗1，冯义武2

（1.山东大学土建与水利学院，山东济南250061；2.山东省水利勘测设计院，山东济南250014）

【摘要】分析了杨集引黄闸闸室底板与上游铺盖连接处发生沉降和管涌的原因，对发生管涌后的涵闸进行了防渗稳定复合计算，并提出了解决方法。

【关键词】杨集引黄闸；防渗体；破坏机理；灌浆

涵洞式水闸是一种常见的水闸型式，其特点是穿越大堤，具有较长的洞身。黄河上的涵闸一般长度在60~90 m之间，由于其洞身大，易发生不均匀沉降，导致涵管断裂，故常分为若干节，通常为10 m一节。节与节之间的分缝处是防渗的关键部位，也是容易发生涌水、管涌的部位。一旦发生涌水、管涌，会缩短渗径，增大水力坡降。严重的会导致涵闸基础掏空，使整个结构破坏，甚至危害大堤安全。这些位置通常设有止水，一般采用黏土防渗，辅以止水橡皮、铜片等，并设置垫梁。

1　工程概况

山东黄河杨集引黄闸建于1992年，为一联三孔钢筋混凝土涵洞式水闸，钢筋混凝土平板闸门，每孔净宽2.6 m，净高2.8 m，涵洞全长80 m，分8节，闸首段长9.99 m，其余7节均长为9.98 m，设计流量30 m3/s，底板上设有边墩、中墩，边墩厚0.75 m，中墩厚1.05 m，洞身顶、底板厚均为0.7 m，边墙厚0.67 m，中墙厚0.45 m，每节涵洞洞节之间设有钢筋混凝土垫梁，垫梁高0.5 m，宽1 m。工作闸门机架桥为一整体式钢筋混凝土肋形结构，涵洞顶部有大堤回填土，闸上游设置3 m长的黏土铺盖。

2　存在的问题

2.1上游铺盖与闸室底板连接处产生错台

通过现场检测发现，上游铺盖与闸室底板连接处有错台，错台高度32 mm，上游铺盖侧高于闸室底板处。该引黄闸沉降观测点32个，实测沉陷点25个。沉陷观测点历年沉降值位于16~177 mm之间，超过规范允许相邻建筑物间的累计沉降量150 mm。该闸沉降点布置见图1，累计沉降曲线见图2、图3。

图1　沉降观测点布置图

图2　测点编号左C1～左C16闸基累计沉陷值

图3　测点编号右C1～右C16闸基累计沉陷值

由实测数据可见该闸沉降值变化均匀，闸体沉降基本稳定。

2.2涵闸上游铺盖与闸室底板连接处发生管涌经过现场检测，发现该涵闸在上游铺盖与闸室底板连接处出现管涌，涌水位置沿底板前缘呈一字型分布。管涌的形成，说明该闸地基内已经形成渗流通道。底部渗径减短，渗透坡降增大，涵闸地基内部土颗粒可在渗流作用下被带出，经过长时间发展，可导致涵闸地基掏空，影响涵闸的稳定甚至危害大堤的安全。

3　防渗体破坏原因与防渗复合计算

3.1黏土防渗体破坏原因

闸室底板与上游连接处发生管涌及涌水，其主要原因是此处的黏土防渗体发生破坏，其破坏的原因主要是由于闸室本身重量较大，且闸首段涵洞上部有大堤填土，由此闸室底部地基应力过大，而上游连接段应力则相对较小，较大的应力产生较大的沉降，而上游连接段沉降相对较小，从而导致不均匀沉降。黏土防渗体承受较大的剪切力以及弯矩。闸前水头的水平推力不会导致涵闸黏土体破坏，因为洞身以及堤身所提供的综合顶推力随上游水砂压力变化而变化，作用点也可视为与水砂压力合力点在同一水平线上。

3.2涵闸防渗稳定复合计算

该闸设计不透水轮廓长度有闸前3 m黏土铺盖，闸后16.7 m黏土不透水层，涵洞本身及计入黏土环后的流线长为89.38 m，总渗径长110.27 m，由于闸室前铺盖1 m处及下游消力池距涵洞末端2 m处有渗漏水，实际防渗长度为92.38 m。按渗径系数法初估基础防渗轮廓线长度，即：

L=CH

式中：L为基础防渗轮廓线长度，m；H为上、下游水位差，m；C为允许渗径系数。

该闸在设计防洪水位下，其上下游水位差H 为10.7 m，查《水闸设计规范》（SL265-2001），其允许渗径系数C=10，计算得所需防渗长度107 m。该闸实际防渗长度92.38 m，不满足要求。闸基渗透压力计算采用改进阻力系数法，在设计工况，设计洪水位10.7m的条件下，计算结果见表1。

表1　水平段和出口段渗流坡降计算结果汇总表

由表1可以看出，产生管涌之后，该闸实际防渗长度已经不满足要求，渗透坡降大于规范允许值，由此可见，该闸防渗稳定不满足要求。

4　解决方法

4.1静压灌浆加固黏土防渗体

对于已经沉降稳定的涵闸，主要任务是纠正不均匀沉降，修复防渗体以及封闭渗流通道。可以分别采取压密灌浆和静压灌浆的方式来处理。

静压灌浆是在灌浆压力作用下，浆液克服阻力深入开裂的黏土防渗体，封闭渗流通道，使浆液在闸底板下部以及闸前铺盖处形成一个防渗体。由于闸室本身已经沉降稳定，不会再产生不均匀沉降使加固后的防渗体再次发生破坏。对于累计沉降量已经超过规范允许值的涵闸，可以采用压密灌浆纠正闸室段与上游铺盖间以及涵洞节与节之间的不均匀沉降。

在进行加固处理时，要选择合理的施工流程，首先纠正不均匀沉降，然后再加固黏土防渗体。如若先进行静压灌浆加固黏土防渗体，则在进行压密灌浆时，闸室前、中以及后部可能不会同时上升，有可能对已经修复的黏土防渗体造成二次损坏，并且，当沉降恢复以后，黏土防渗体和闸室底板间由于闸室整体的上升可能留存有孔隙，此孔隙有可能会发展成为渗透通道，导致管涌的再次发生。在进行压密灌浆钻孔时，要查阅设计图纸以及采用钢筋定位仪避开主受力钢筋，以免施工困难且破坏闸室底板结构。

经过静压灌浆和压密灌浆处

理后的黏土防渗体应保证渗透通道全部封死，不再产生管涌现象，且构件间相对沉降量应小于50 mm，累计沉降量小于150 mm。

4.2高喷灌浆加固黏土防渗体

对于沉降尚未稳定的涵闸，加固任务主要有两个，一是阻止闸室继续沉降，防止相对沉降过大而破坏黏土防渗体，二是对于已经形成的渗流通道进行封堵，防止管涌扩大，掏空基础，并对黏土防渗体进行加固。阻止闸室继续沉降可采用高喷灌浆，封闭渗流通道和纠正闸室沉降可以采用同对处理已沉降稳定的涵闸相同的方法，即静压灌浆和压密灌浆。

高压喷射灌浆是利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水成为20 MPa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体。在浆液喷射力、重力、离心力作用下浆液和剥落下来的土粒形成一固结体。

在进行加固处理时，对于累计沉降值和不均匀沉降值尚未超过规范允许的涵闸，可不进行压密灌浆。对于累计沉降值和不均匀沉降值超过规范允许的涵闸，要先进行压密灌浆，使闸室沉降恢复至规范允许范围后再进行高压喷射灌浆。实施时，采用旋喷方式，调整旋喷速度和提升速度、增减喷射压力或改变流量，使之成为不同直径的柱状摩擦桩，在靠近闸室底板处，应该提高喷射速度，扩大喷射直径，使之形成一个整体防渗体。高喷之后再采用静压灌浆的方式，来加固黏土防渗体，填充黏土防渗体内部裂缝，封堵渗透通道。

5　结语

闸室自重以及大堤土压力是导致闸室和上游铺盖不均匀沉降的主要原因。通过对杨集引黄闸进行现场检测，发现闸室底板与上游铺盖连接处发生不均匀沉降和管涌现象。对于沉降稳定的涵闸，先用压密灌浆纠正不均匀沉降以及超过规范允许的累计沉降，然后用静压灌浆加固黏土防渗体。对于沉降尚未稳定的涵闸，首先采用静压灌浆纠正沉降，然后采用高喷灌浆形成摩擦桩阻止闸室沉降，最后用静压灌浆修复黏土防渗体。

（责任编辑崔春梅）

作者简介：张开来（1990—），男，研究生在读

收稿日期：2015-08-04

【中图分类号】TV66

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2016）-01-0034-02