砂砾石地基水闸防渗设计方案

戴 雪 邓 刚 王李平

（1黄河勘测规划设计研究院有限公司；2河南省城市水资源环境工程技术研究中心）

0 引言

砂砾石地基由于自身较大孔隙率和很强的透水性，在水头差存在的情况下，孔隙中会产生不平衡水压差，随着水压差的增加，当达到一定值时，会破坏颗粒间粘聚力，部分细小的颗粒会被水流带出，随着细颗粒不断被带走，孔隙越来越大，导致地基渗透变形，地基承载能力会骤降，直接威胁水闸的抗滑稳定，因此水闸建在砂砾石地基时应重视防渗措施的设计。

1 工程概况

大利河引水闸位于济源市五龙口镇五龙头村，建成于1985 年，2016 年对老闸进行拆除重建。重建水闸设计流量4.60 m3/s，顺水流方向纵向总长88 m，主要由10m 铺盖段、9 m 闸室段、44 m 涵洞段、10 m 消力池段、10 m 海漫及5 m防冲槽段组成。水闸为单孔引水闸，设计防洪水位144.50 m，校核防洪水位145.50 m，铺盖及闸底板高程均为139.98 m，闸顶高程为145.90 m，闸底板厚为1 m，齿墙厚为0.50 m；闸室后布置4 节单孔箱涵，穿越堤防，每节长均为11 m，纵向坡度i=1/200。铺盖、闸底板、涵洞及消力池均采用钢筋混凝土结构，海漫段采用浆砌石结构。（结构布置见图1）

图1 大利河引水闸纵断面图

根据勘探资料，工程区内的地层除堤身为第四系全新统人工填土外，以第四系全新统冲积（Q4al）形成的砂砾石层为主。闸基坐落于第③层砂砾石层（Q4al），该层砾石磨圆度较好，含量约为60%～80%，多呈中密～很密状态，浅部为松散～稍密状态；该层连续分布，未揭穿，最大揭露厚度17.50 m。砂砾石层地基承载力特征值为300 kPa。

2 渗流稳定计算方法

渗流的理论计算一般基于边界条件比较简单的情况，但实际的防渗布置比较复杂，理论计算方法很难获得精准的解答，因此常采用近似计算方法。近似计算的方法有很多，直线比例法、直线展开法、加权直线法、柯斯拉独立变数法、巴甫洛夫斯基分段法、丘加也夫阻力系数法、改进阻力系数法以及流网法等等。SL 265-2016《水闸设计规范》在条文说明中对各种方法进行了介绍，最终推荐采用改进阻力系数法和流网法作为求解土基上闸基渗透压力的基本方法。文章选用改进阻力系数法进行渗流计算。

改进阻力系数法的基本段分为进出口、内部垂直段和水平段三段，计算公式如下：

式中：h＇0—进出口段修正后水头损失值（m）；h0—进出口段水头损失值（m）；β＇—阻力修正系数，当计算的β＇≥1时，采用β＇ ＝1 ；S＇—底板埋深与板桩入土深度之和（m）；T'—板桩另一侧地基透水层深度（m）。

式中：J—为出口段的渗流坡降值。

为防止渗流变形保证闸基的抗渗稳定性，要求出口段的逸出坡降必须小于规定的允许值。

3 防渗方法的研究

砂砾石地基防渗方法通过许多工程实践和科学研究，在不断地积累经验，防渗技术也在不断地提升，但仍存在一些问题需要进一步研究。施灿海在研究砂砾石地基上尾矿坝渗流控制措施时，总结了砂砾石地基渗流控制研究的进展；徐家海提出砂砾石坝基的渗流控制措施可归纳为上铺、中截和下排三个方面；刘杰提出反滤层可以作为渗流控制的一项重要措施；张文倬认为砂砾石地基颗粒组成的不均匀性和结构的多层性，以及各部位渗透系数差异的悬殊性，使水平铺盖防渗不如垂直防渗适应砂砾石地基；刘杰再次与张文倬就砂砾石地基闸坝渗流控制原理进行讨论，并用工程实例说明铺盖防渗最适合深厚的砂砾石地基；徐静结合王甫洲水利枢纽工程，对高压喷射灌浆技术、防渗墙技术及土工膜防渗技术进行对比研究；杨海英研究了在排水孔失效的情况下，对铺盖和防渗墙的最佳组合问题；马少华提出对于深覆盖层砂砾石地基，采用水平防渗在工程投资中优于垂直防渗，但需进行严格计算，确定合理的铺盖长度。

综上所述，砂砾石地基防渗方法可分为水平防渗、垂直防渗及排水系统三个方面，具体工程的防渗方案无外乎是一种或是几种防渗方法的组合，目的在于控制渗流、减少渗流比降、避免发生流土及管涌等渗流变形破坏，保证闸基稳定。

4 不同防渗方案的渗流计算

结合以上防渗方法的研究，该工程考虑以下几个防渗方案：初始计算方案：利用铺盖、闸室、涵洞各段底板轮廓构建地下轮廓线，地下轮廓线排水孔布置在消力池底板；方案1：在初始计算方案下，延长不透水层长度，将消力池底板归为地下轮廓线范围，排水孔布置在海漫底板；方案2：在初始计算方案下，增加垂直防渗措施，闸底板范围内布设10 m 长高压旋喷桩连续墙，排水孔布置在消力池底板；方案3：在初始计算方案下，增加垂直防渗措施，闸底板范围内布设15 m 长高压旋喷桩连续墙，排水孔布置在消力池底板；方案4：在初始计算方案下，加深消力池齿墙深度，排水孔布置在海漫底板。

渗流计算时，上游水位按沁河校核洪水位控制，闸下无水，计算结果见表1。

表1 渗流计算结果对比表

通过表1 计算结果的对比，比较不同方案的防渗效果，分析如下：①从各个方案可以看出，无论是水平向延长渗径还是垂直向加深渗径，对于降低渗流比降都是有效的；②方案1 与方案2 计算结果对比可以看出，垂直向加深渗径比水平向延长渗径效果更明显；③方案2 与方案3 计算结果对比可以看出，防渗墙的深度对防渗效果是有影响的，防渗墙越深，效果越好，但是实际工程中防渗墙不能无限制加深，还应该结合施工条件和经济性确定防渗墙的深度；④方案3 与方案4 计算结果对比可以看出，垂直防渗措施布设在不同位置防渗效果有所不同，越靠近出口段逸出处，出口段逸出坡降越小，减少渗流比降效果越明显。

根据计算结果，方案4 计算结果满足出口段允许坡降值的要求，因此最终采用铺盖、闸室、涵洞、消力池底板作为水平防渗，垂直防渗采用加深消力池齿墙，排水孔布设在海漫底板上。

5 结语

砂砾石能够提供较高的地基承载力，同时适应基础变形，作为建筑地基是个不错的选择，但对于渗流有要求的结构来说，防渗措施的研究还是有十分重要的意义。经以上几种防渗方案的对比，在同种地质条件下，采用不同的布置方案对防渗效果影响很大，因此实际工程应用时应结合工程特点，综合考虑施工条件、经济性等因素，比选后再确定最为适宜的处理方法。