中高水头船闸基底渗流特征分析——以富春江船闸为例

范鹏举，孙振锋，郑克亚，钱 程，祁 绘

(1. 苏交科集团股份有限公司，南京 210017； 2. 江苏省地下空间探测技术工程实验室，南京 211112)

富春江船闸是国内首个在运行水电枢纽下改建的碍航船闸工程[1]，其运行能力和实践价值备受关注。该工程在原有土木结构下游，新建一座Ⅳ级通航标准兼顾1 000吨级船舶过闸能力的船闸[2]，原有土木构筑物经过加固改造后作为上游引航渠道。船闸扩建改造后，原船闸在正常运行情况下将常年承担持续性高水位作用，而新建船闸在通航运营期间，闸室内水压力荷载由原来的低水位变为间歇性高水位，因此，需要对新老船闸进行渗流监测。本文就新船闸施工至运营期间左右闸墙及中底板的渗流监测数据进行了分析，通过了解船闸基底的渗流性态，为船闸的安全运行提供参考。

1 工程背景

富春江船闸扩建改造工程位于浙江省桐庐县富春江镇富春江水电站枢纽右岸，工程包括船闸主体范围及建德、桐庐境内锚泊区、航道等。新建船闸总长364 m，上下闸首为整体空箱式结构，闸室为分离式结构；新建上下游引航道，建设相应导航和靠船建筑物；建设闸底长廊道输水系统及上游浮式检修门一座；新建坝下唐家洲左侧河道切滩疏浚及边坡防护，并开挖行洪渠道及节制分水闸；配建相应船闸配套及附属设施；建设上游锚泊服务区及远方调度站、助航安全保障设施及其他配套设施等(如图1所示)。

图1 富春江船闸总平面布置

2 渗流监测方法

依据《混凝土坝安全监测技术规范》[3]，坝基渗流监测应根据建筑物的类型、工程规模、渗流控制措施等进行布置，纵向和横向断面应结合布置，宜布设纵向监测断面1～2个，横向监测断面至少3个。为更大限度地监测船闸基底渗流变化情况，现场监测人员根据富春江船闸设计图纸以及场地施工条件，在本次船闸闸室基底共布置了10个观测横断面，每个观测横断面布设7～8个渗压计，渗压计断面布设情况如图2所示。为保障渗压计信号传输稳定，数据采集正常可靠，通过四芯双铰屏蔽电缆加保护管接入信号采集系统，实时进行渗流监测。单个渗压计采用钻孔方式埋设于闸室与基岩接触面，埋入基岩深度为0.5～1.0 m，孔径约10cm，埋设方式如图3所示。

图2 闸室渗压计断面布设示意

图3 渗压计埋设示意

3 基底渗流特征

本次船闸工程渗流监测采用美国基康公司生产的GK-4500S型渗压计，它通过实测振弦的频率换算得到渗流压力，其应力计算公式如下：

(1)

式中，A、B、C和K分别为系数，且不同编号的渗压计具有不同的数值；T0为初始温度；R1和T1分别为实测频率和温度值。

3.1 正常水位

正常施工期间，新船闸闸室内处于无水状态。大坝下游江水位受富春江水电站日调节影响，水位变化在6～8 m。现场监测人员定期采集渗压计读数，根据现场记录的R1和T1数据，分别计算得到各个渗压计的单次压力值，其变化曲线如图4所示。

从图4(a)～4(c)可以看出，左右闸墙及中底板的基底渗流压力都处在稳定变化的状态内，单次波动幅度不大，压力变化值约在0～5 kPa之间。图4(d)可以看出，基底渗流压力变化趋势与下游江水位的变化趋势基本保持一致，说明大坝下游的渗流场较为稳定，处在统一的影响作用下，这对于两侧闸墙下部设置防渗帷幕和地基固结灌浆施工处理是有利的。由于左右闸墙两侧设有排水孔，易受地下水位波动和降雨影响，与左右闸墙相比，中底板的基底渗流压力变化相对平缓。

3.2 大坝泄洪

自富春江水电站大坝建成后，河流水文情况发生了根本性的变化，当上游来水达3 000 m3/s以上时，水库就要泄洪。该大坝共设有17个泄洪孔，每孔设计泄洪流量1 100 m3/s。1969年至2008年的统计数据显示，富春江泄洪期主要集中在每年的4～7月份。2016年4月期间就曾发生一次大的泄洪活动，泄洪过程中新船闸闸室内有2～4 m深的积水，下游江水位10～13 m。现场监测人员加强了渗流监测频次，监测曲线如图5所示。

富春江船闸扩建改造工程地处电站大坝泄洪顶冲区的严重影响河段，周期性受到高水头、大水流的冲击，防渗工作显得十分重要。根据图5(a)～(d)可以看出，自大坝泄洪开始，下游江水位持续增长，加上强降雨的影响，左右闸墙及中底板的渗流压力也显著升高，变化幅度整体在50～90 kPa；大坝泄洪后期，下游江水位持续下降，船闸基底渗流压力变化趋于平缓，并逐渐降低。从持续监测的结果看，船闸基底并未出现异常的水头压力差，说明渗流变化主要还是受持续强降雨和泄洪引起下游地下水位升高的影响。与左右闸墙相较，中底板处渗流压力变化幅度相对较小，说明新船闸两侧灌浆帷幕质量良好，达到设计要求。

(a) 左闸墙

(b) 中底板

(c) 右闸墙

(d) 大坝下游江水位

(a) 左船闸

(b) 中底板

(c) 右闸墙

(d) 大坝下游江水位

3.3 运营通航

新船闸自2016年年底投入运营，通航期间船闸内处于间歇性充水与泄水状态，此时的渗流监测进入自动化监测阶段。根据2017年4月份采集的数据，某日渗流压力变化曲线如图6所示。

图6(d)表明，船闸内随间歇性的充水与泄水，有3次高水位状态，但每次的最高水位值相差不大。图6(a)～6(c)则表明，闸室内充水过程中，船闸基底渗流压力随闸室内水位升高变化很快，呈现显著的正相关性，并随着时间的推延而逐渐趋于稳定；闸室内达到最高水位值后，中底板的渗压变化幅度要大于左右两侧闸墙，但变化幅度整体相差不大，基本都在50～100 kPa范围内，说明充水过程中船闸基底在被两侧灌浆帷幕封闭的情况下，基底渗流场处于统一的影响作用下，而对中底板的影响更为显著，其渗流势能往两侧减弱；闸室内泄水时，船闸基底的渗流压力迅速下降，并逐渐恢复到充水之前的渗压状态。

(a) 左闸墙

(b) 中底板

(c) 右闸墙

(d) 闸室内水位

4 结语

本文通过对新船闸基底渗流监测特征曲线进行分析，发现以下渗压变化规律：

(1) 正常施工情况下，新船闸基底渗流性态处于稳定变化的状态。

(2) 大坝泄洪期间，新船闸基底渗流压力显著升高，但处于可控范围内。

(3) 新船闸运营情况下，闸室基底渗流变化与闸室内充泄水状态保持一致，两者呈现正相关性。