粉砂土地基水闸悬挂式防渗墙渗流分析

（江苏省水利工程科技咨询股份有限公司 南京 210029）

1 引言

防渗排水设计是水闸工程设计的重要内容，渗流安全是水闸工程安全运行的基础。砂性土、特别粉砂土地基上的水闸最容易发生渗流变形[1]，影响水闸安全。在粉砂土地基上兴建水闸，通常采用铺盖和垂直防渗体相结合的防渗布置形式，用来延长渗径，降低闸基平均渗流坡降[2]。某水闸位于江边，承担双向水头，粉砂土地基，工程建成运行17 年后，出现较明显的渗流破坏险情。本文采用Autobank 有限元软件对水闸工程进行渗流复核，分析出险原因，为工程设计提供参考。

2 工程概况

2.1 工程布置

水闸位于长江通江河道上，是一座具有灌溉、排涝、挡洪等多种功能的水工建筑物；共5 孔，每孔净宽6.0 m，闸孔总净宽30.0 m；承担双向水头，内河蓄水期最大水头差5.36 m，长江挡洪期最大水头差3.7 m。

闸室上（内河侧）下游均设消力池、海漫及防冲槽，上游翼墙采用钢筋混凝土扶壁式挡土墙，下游除第一节翼墙采用空箱扶壁挡土墙外，其余为扶壁式挡土墙。闸室共3 块底板，其中中间3 孔一块底板，两边孔各一块底板；闸室边墩外设钢筋混凝土空箱岸墙。闸室、空箱岸墙及左侧（面向下游）上游第一节翼墙采用素混凝土换填基础，左侧下游第一节翼墙采用预制方桩基础。闸基轮廓线采用水平铺盖与垂直板桩相结合的布置形式，利用上、下游消力池形成不透水护坦，在闸室底板下四周，上、下游第一、二节翼墙底板下施打钢筋混凝土防渗板桩，板桩长5.0m，桩厚0.25m，桩底高程-7.8m。

2.2 工程地质

闸址处地质条件较复杂，闸室、岸墙及上下游第一节翼墙底板持力层为粉砂夹壤土（土层④），其下为壤土夹粉砂（土层⑤）、粉砂夹壤土薄层（土层⑥）。土层④粘粒、粉粒、砂粒含量分别为5.9%、46.8%、47.3%，水平向渗透系数为2.58×10-4cm/s。土层⑤粘粒、粉粒、砂粒含量分别为10.6%、57.6%、31.8%，水平向渗透系数为3.24×10-6cm/s。土层④由右岸向左岸逐渐加厚，右岸层底高程-6.6～-8.0m，左岸层底高程-12.0～-15.0m。闸室垂直水流向地质剖面如图1 所示。

3 沉降变形情况

3.1 施工期沉降观测

水闸自2002年12月29日开始施 工，2003 年12月20日进行竣工验 收。从2003 年5月10日 至12月6日对水闸主体结构的高程进行了观测，观测范围包括：闸墩12 个测点（上 游 侧0～5，下 游 侧6～11，上游左侧角点为0#）、上游左侧翼墙4 个测点（上1～上4）、上游右侧翼墙4 个测点（上5～上8）、下游左侧翼墙6 个测点（下1～下6）、下游右侧翼墙6 个测点（下7～下10）。观测结果如表1 所示。

图1 闸室垂直水流向地质剖面图

由表1 可知，施工结束后，闸室3 块底板沉降总体上是均匀的，累计沉降值2.3～4.6 cm，右边孔（测点5、6 与10、11）大于中孔（测点3、4 和8、9）及左边孔（测点0、1 与6、7），右边孔边墩沉降值最大，为4.6cm。上下游翼墙累计沉降值2.9～7.1cm，最大值出现在下游右侧第一节翼墙首端（测点下7），该节翼墙底板下为土层④，未进行地基加固。最大不均匀沉降差位于右边孔边墩与下游右侧第一节翼墙首端，为2.5cm（测点11 与下7）。

3.2 出险情况

2019 年11月14日，管理人员发现启闭机房工作桥右缝墩出现张大现象[3]，实测缝宽5.7cm（该处缝墩2014 年、2017 年测得缝宽为4.4cm），至2020年1月19日达到6.8cm。期间，闸墩顶部右缝墩缝宽由4.8cm 加大为6.0cm，且左高右低，高差约2cm，右边孔呈后仰状；左缝墩缝宽由4.7cm 加大为5.0cm，下游消力池尾段排水孔位置和护底施工降水井位置（施工结束后未封闭）发现较明显冒泡或冒浑水现象。下游右侧第一节翼墙与右边孔边墩沉降差4.0cm，较完建期增加1.5cm。总体而言，右边孔变形大于左边孔。

4 Autobank 有限元渗流分析

该闸建成运行17 年，运行过程中虽未进行系统观测，但总体上看运行期沉降较小，发生的沉降突变对闸体安全构成不利影响，初步分析是渗流破坏，为进一步确定破坏原因，采用二维有限元渗流分析模型对工程防渗安全进行复核。对照施工记录，施工过程中闸室、消力池四周共布置降水井16 口，间距15.0 m，内径0.3 m，井深17.5 m，井底高程-18.5 m，位于土层⑤中，施工结束后未进行封闭。

表1 节制闸施工期累计沉降观测表

采用Autobank 软件建立闸基二维稳定渗流分析模型[4]，分析范围包括闸室底板、上下游消力池、混凝土护坦、降水井、浆砌石海漫；深度范围自闸底板至土层5 层底。计算区域共划分为60607 个网格单元。

分别计算挡洪期、蓄水期最大水头差两种工况。根据土层④自右向左层厚加深的特点，对右、中、左三块闸底板下渗流分别进行计算。提取渗流量q（m3/d），闸室底板下水平向最大、最小和平均水力坡降J1max、J1min、J1av，闸室范围防渗桩下土层④、⑤接触面上水平向最大、最小和平均水力坡降J2max、J2min、J2av进行分析。计算结果见表2。

根据计算结果可以发现，各工况下闸室底板下水力坡降0.002～0.069，平均值0.020～0.035，均小于允许值0.05～0.07，满足粉砂土地基的允许水平坡降要求。闸室范围防渗板桩下部土层④与土层⑤之间水力坡降，蓄水工况为0.059～1.12，平均值为0.114～0.589，挡洪工况下为0.043～0.804，平均值为0.083～0.423，大部分大于粉砂土地基的允许水平坡降。同时还可以发现，板桩下部粉砂土层厚度越小，板桩下两土层间水平坡降越大，且上下游板桩间分布越不均匀；随着粉砂土层厚度的增加，板桩下两土层间水力坡降相应减小，且分布也越均匀。

5 渗流破坏原因分析

（1）通过计算发现，闸室底板下水力坡降满足要求，但因防渗板桩未能全部截断粉砂层，造成板桩间下土层④与土层⑤接触面水力坡降较大，闸室右边孔处土层④厚度较薄，防渗板桩桩尖下仅厚0.2m，水力比降达1.12，远大于土层④的允许坡降，由于土层④与土层⑤之间渗透系数相差近100 倍，可以认为两土层接触面存在接触渗流的可能。

表2 各工况渗流计算结果表

（2）该闸承受双向水头，施工降水井在施工结束后未进行封闭，降水井外的滤层在双向水头作用下也容易流失，从而可能形成渗流通道并将土体颗粒带走，导致土体流失而出现沉降变形。水闸安全鉴定期间在右边孔闸室部位进行了钻探，钻探提示在闸底板下高程-7.25～-7.55m 处发现土层④-1，相对于原设计为新增土层，该土层厚0.2～0.4m，为淤泥质壤土夹砂壤土，壤土多为流塑状，局部为软塑状，砂壤土为松散状，间接说明接触渗流的存在。

（3）因土层④层底自右向左降低，即防渗板桩下粉砂土层自右向左加厚，土层④与土层⑤间的水力坡降也相应减小，故北侧渗流破坏重于南侧，这与现场的沉降变形观测结果是一致的。

6 结语

粉砂土地基上水闸防渗采用铺盖与垂直防渗体布置，当防渗体处于悬挂状态时，除复核闸底板水平坡降是否满足要求外，对防渗体下部不同土层间的接触渗安全也要进行复核，必要时可以调整垂直防渗体长度，尽量截断粉砂层，确保防渗安全。