基于缺陷的水闸防渗墙渗流稳定性研究

2020-01-02张云峰张志闯

水科学与工程技术 2020年6期

张云峰，张燕，张志闯

（1.淮安市淮阴区水利局，江苏淮安223300；2.淮安市淮阴区竹络坝灌区水利管理所，江苏淮安223300；3.江苏信通工程项目管理有限公司，江苏淮安223300）

1 引言

水闸是修建在河道、水库、湖泊、渠道上十分常见的低水头水工建筑物，能通过闸门的升降来调节水位和流量，常用于灌溉和防洪排涝等方面［1-2］。建立在土基上的水闸，由于其物理性质与土体不同，常常存在渗漏隐患。对于渗透性较好的地基土来说，如果不对其进行适当的工程处理，一旦发生渗漏，往往可能会发生流土或管涌等不良地质现象。对于水闸地基的防渗处理，通常采用垂直防渗板桩、高压旋喷桩、水泥搅拌桩、悬挂式防渗墙等方案［3-5］。对于悬挂式防渗墙来说，因为工艺水平有限或施工质量不佳，往往会出现防渗墙铺设深度不足、出现破损等潜在病害。经过一段时间的使用，在水流的作用下，往往会发生防渗墙渗漏现象。这不仅引起水量损失，还会造成渗透破坏，引起建筑物地基沉陷，影响建筑物安全。广东某水利枢纽工程就发生一起防渗墙渗漏引起下游消力池地板隆起及断裂，大大影响水闸的安全使用［6］。

本文依托江苏省某水闸工程，通过数值模拟方法模拟水闸正常水位下闸基渗流场，分析防渗墙铺设深度、防渗墙是否出现缺陷及缺陷位置等对闸基渗流场的影响。

2 基本理论

在水闸处于正常蓄水位工况下，在水头差的作用下，水在土体中的移动满足达西定律，非饱和土渗流控制方程［7］如下：

式中 xi，xj为i，j方向的位置坐标；ksij为饱和渗透张量；kr为相对透水率；hc为压力水头；β为非饱和常数；Ss为贮水量；Q为源汇项；C为比水容度；θ为与压力水头相关的函数；n为孔隙率；t为时间。

3 数值模拟

3.1 工程概况

某改造水闸是一座以引水为主、排水为辅为目的的水闸。该改建工程场地地基土均属第四纪沉积物。地基土的主要成分是含砾粗砂、含卵石砾质粗砂、全风化泥质粉砂岩层和强风化粉砂岩层。本次模拟根据实际土层分布，将水闸地基分为三种土层，分别为含卵石砾质粗砂层、全风化泥质粉砂岩层及强风化粉细砂岩层。含卵石砾质粗砂层呈很湿～饱和，稍密，中等压缩性状，渗透性较好，具中等透水性，在水动力等外力作用下有产生流土或管涌等不良地质现象的可能性。

3.2 计算模型

根据以上工程勘测资料，本次计算模型如图1，其中上游水位为17.96m，下游水位为15.46m，上下游水头差为2.5m。地基上部建筑物主要包括上游护坦、闸门、闸室地板和消力池等。在水闸上游处设置高压旋喷防渗墙，防渗墙深入全风化泥质粉砂岩层2m。

图1 计算模型图

3.3 模型参数和计算工况

将工程勘测得到的土层物理力学参数和实验室内测得的土层渗透系数相结合，确定模型中各个地层的物理力学参数。将地基土上部结构材料设为不透水材料。各土层渗透系数值如表1。

表1 地基各土层渗透系数

针对防渗墙出现缺陷及其未能伸到全风化泥质粉砂岩等情况，主要计算5个工况： ①防渗墙完整；②防渗墙底部距离全风化泥质粉砂岩0.5m；③防渗墙底部距离全风化泥质粉砂岩2m；④防渗墙缺陷尺寸0.2m，距离顶部5m；⑤防渗墙缺陷尺寸0.2m，距离顶部10m。

4 计算结果分析

图2和图3为防渗墙完整时，水闸基础土体的渗流场和水力梯度变化等值线图。

图2 防渗墙完整时水头等值线分布

图3 防渗墙完整时水力梯度等值线分布

由图2可知，当防渗墙没有出现缺陷时，防渗墙底部水头等值线比其他部位密集，此处的水头损失较大，水头变化值较大，防渗效果良好。由图3可知，防渗墙底部的水力梯度明显变大，距离防渗墙底部越近，水力梯度越大。这是因为防渗墙的存在改变了水流的方向，水流从防渗墙底部绕过，迅速降低了水头。

4.1 防渗墙铺设深度对渗流场的影响

图4 防渗墙底部距离全风化泥质粉砂岩0.5m水头等值线分布

图5 防渗墙底部距离全风化泥质粉砂岩2m水头等值线分布

图4和图5为水闸防渗墙是否伸入全风化层内的水头等值线分布图。对比图4和图2可知，当防渗墙仅在含卵石砾质粗砂层时，在防渗墙下游的水头值较大，这是因为在含卵石砾质粗砂层和全风化层顶部之间的渗透系数差别大，防渗墙又是不透水结构，使得防渗墙底部与全风化层顶部存在一个渗流通道，水流流经这个部位时，水头损失较小，因此水流越过防渗墙后水头损失小。可以看出防渗墙未铺至全风化层时，在防渗墙下游的水头明显提高。

图6和图7为防渗墙距离全风化层不同距离的水力梯度等值线分布图。对比图6和图7可以看出，防渗墙底部与全风化层顶部之间土体的水力梯度分布整体上相似，防渗墙底部距离全风化层顶部越远，防渗墙底部与全风化层顶部之间土体的水力梯度越小。这是因为防渗墙底部与全风化层顶部之间形成的透水薄层厚度不同。这是因为透水薄层越厚，即防渗墙底部离全风化层顶部越远，水流越容易从该区域流过，分流的水流量越多，相对而言分流到全风化层的水流越少，因此水力梯度也就越小。

图6 防渗墙底部距离全风化泥质粉砂岩0.5m水力梯度等值线分布

图7 防渗墙底部距离全风化泥质粉砂岩2m水力梯度等值线分布

4.2 防渗体缺陷对渗流场的影响

图8 防渗墙缺陷距离顶部5m水头等值线分布

图9 防渗墙缺陷距离顶部10m水头等值线分布

图8和图9为防渗墙在不同高程出现缺陷时的水头等值线分布比较图。对比图8和图2可知，当防渗墙存在缺陷时，渗流场发生了明显变化，防渗墙后的区域内水头抬升，尤以缺陷处的水头抬升最为明显。另外，由于缺陷的位置不同，缺陷处的水压力不同，因此防渗墙后的渗流场变化也不同，总的来说，防渗墙缺陷位置越低，影响范围越大。

图10和图11为水闸防渗墙不同高程出现缺陷时的水力梯度变化云图。与图3对比可知，防渗墙出现缺陷后水力梯度与未出现缺陷前都出现骤增现象。这是因为在缺陷位置处土体的渗透系数较大，水流经过此处时会导致该区域水力梯度上升。而且对比图10和图11可知，当防渗墙出现缺陷时，防渗墙底部的水力梯度有所减小，这是因为缺陷处的水力梯度较大，分散了一部分水流。对比防渗墙不同位置的水力梯度可知，防渗墙缺陷影响范围有限，主要会引起其周边水力梯度的变化，对于远离缺陷位置的水力梯度影响大致相同。