基于渗流分析的闸基水泥土换填厚度研究

2022-05-17朱学英鲁文妍

水利与建筑工程学报 2022年2期

朱学英，鲁文妍

(1.中水北方勘测设计研究有限公司，天津 300222； 2.南京水利科学研究院,江苏南京 210029)

水泥土是由土颗粒、水泥、水、外加剂组成的复合材料[1]，具有价格低廉，绿色环保等优点[2]，在地基处理、边坡加固、基坑防渗围护等工程中得到广泛应用[3-5]。通过将水泥浆或水泥与土体均匀搅拌，使水泥与土发生物理化学作用[6]，生成的连续整体的、坚硬的水泥土混合物[7]。相比原始土体，水泥土不仅具有高强度[8]、低压缩性[9]，还具有低渗透性的特点[10]。水泥通过与水发生反应来固化土体，生成氢氧化钙等细小颗粒的胶体物质[11]，这些细小颗粒填充在土体颗粒之间，阻断了联通的孔隙通道，减小了土体的渗透系数[12-13]。

我国黄泛区、沿海、长江口等区域广泛分布有粉砂土层，近年来,江淮主干流大型工程相继兴建，许多水闸枢纽工程修建于粉砂地基上[14]。粉砂地基透水性强[15]，抗渗允许坡降低，需做好截渗工作。涡河移址新建蒙城枢纽工程即面临这一问题，其节制闸工程建基面为粉砂、粉细砂地层，设计挡水水头大，截渗问题突出，工程建设中采用水泥土换填技术来进行闸基处理。本文采用有限元方法开展了不同水泥土换填厚度的闸基渗流分析，旨在为工程中水泥土换填厚度的选取提供参考。

1 工程概况

移址新建蒙城枢纽是涡河上一座综合性水利枢纽工程，工程等别为Ⅱ等大(2)型，具有防洪排涝、蓄水灌溉、航运等多种功能。因打造城市水环境、船闸通航能力提升等原因在原涡河蒙城枢纽基础上实施改建。原涡河蒙城枢纽建成于1960年，由节制闸、分洪闸、船闸三座建筑物组成，控制流域面积15 475 km2，设计蓄水灌溉面积2万hm2，两岸堤防为1级堤防，其地理位置十分重要。新建蒙城枢纽位于原枢纽下游约10.3 km处。枢纽下移重建后，节制闸按20年一遇设计过闸流量2 400 m3/s，50年一遇校核流量2 900 m3/s，正常蓄水位设计挡水水头7.50 m，恶劣放水工况水头差达8.98 m。

工程区属皖北地层区，地层以第四纪冲、洪积层为主，土性主要为粉质黏土、壤土、砂壤土、粉土及细砂等。闸址区域地层主要为第四系松散沉积，节制闸工程建基面为粉砂粉细砂地层分布。

2 节制闸防渗体系

由于节制闸设计挡水高度大，粉砂土地基渗透性较强，采用垂直截渗和水平铺盖相结合的布置形式。闸基水平防渗主要由闸室底板、上钢筋混凝土铺盖、下游消力池等组成，见图1。截渗墙布置于底板上游齿墙和两岸案墙及翼墙下，其中底板上游截渗墙两端伸出岸墙底板以外5 m形成刺墙，沿着岸墙及翼墙底部设置的截渗墙下游端顺水流向伸入海漫长10 m。截渗墙设计厚度0.6 m，底部深入重粉质壤土1.0 m以上。施工时对节制闸上游铺盖、闸室底板、消力池上段、上下游翼墙及空箱岸墙底部进行了水泥土换填。

图1 涡河蒙城枢纽节制闸纵剖图 (单位：mm)

3 渗流有限元模型

3.1 几何模型

三维渗流区域建模范围为：顺水流向长800 m，上游边界距节制闸闸室轴线250 m，下游边界距节制闸闸室轴线550 m；垂直水流向长600 m，左岸边界(面向下游)距船闸闸室中心线140 m，右岸边界距节制闸闸室中心线210 m；底部边界距闸室底板顶100 m。整体几何模型如图2所示，节制闸防渗体系见图3—图4。

图2 三维渗流计算几何模型

图3 节制闸防渗体系三维视图

图4 节制闸防渗体系侧视图

因计算时不需考虑渗流与应力场的耦合，网格划分选择渗流/应力耦合的C3D8P单元。位移边界条件为：所有单元x、y、z三个方向上的自由度约束。水力边界条件为：将模型的临空面设为不透水边界，上游河道和下游河道分别根据水位条件施加孔隙水压力边界。

为便于查看渗透水压、渗流流速等规律性，选取节制闸闸室中心线截面S-S截面进行结果查看分析，见图5。

图5 三维剖面位置图

3.2 计算工况及参数

选取节制闸规划水位组合中水头差较大的恶劣放水水位组合(上游水位25.23 m，下游水位16.34 m，水头差8.98 m)，确定有无防渗墙、有无水泥土换填作为渗流计算工况，并考虑水泥土不同换填厚度，共计7种工况，见表1。参照地勘报告选取各土层计算参数见表2。水泥土渗透系数根据试验结果选取为1×10-7cm/s。

表1 节制闸三维渗流计算工况

表2 节制闸三维渗流计算土层参数

4 闸基渗流场特性分析

(1) 等水压线及渗流流速分布。分别给闸基数值模型上、下游施加恶劣放水边界条件，经多次迭代计算，获得闸基渗流场各特征参数值及分布图，见图6—图11(限于篇幅，只给出工况1、工况4、工况6三种工况孔隙水压力分布等值线图及渗流流速分布图)。

图6 工况1(无防渗墙无水泥土)等水头线分布云图(单位：Pa)

图7 工况1(无防渗墙无水泥土)流速分布矢量图(单位：m/s)

图8 工况4(有防渗墙水泥土1.0 m)等水头线分布云图(单位：Pa)

图9 工况4(有防渗墙水泥土1.0 m)流速分布矢量图(单位：m/s)

图10 工况6(有防渗墙水泥土2.0 m)等水头线分布云图(单位：Pa)

图11 工况6(有防渗墙水泥土2.0 m)流速分布矢量图(单位：m/s)

由图6、图8、图10可以看出，在水位差作用下发生由上游至下游的渗流，引起渗流场内孔隙水压力的变化；渗流场内各纵剖面上，孔隙水压力随厚度增大而增大，同一高程上，孔隙水压力分布呈上游至下游逐渐降低，在防渗墙区域形成明显错台；由于各工况水位组合一致，上下游孔隙水压力之差未变。

图7、图9、图10为渗流流速分布图，可直观反映土中水的渗流轨迹。可以看出，渗流在粉砂层具有较大流速，未设置防渗墙和水泥土换填时，渗流在水头差作用下沿着闸基底部由上游流至下游，并在消力池后部排水孔区域逸出。设置防渗墙和水泥土换填后，渗流改沿水泥土换填底部流动，防渗墙附近流速方向具有绕向墙下部方向的趋势。随着水泥土换填厚度增加，消力池底部粉砂层渗流流速逐渐增大。分析认为，这是由于消力池下粉细砂层约3 m厚，粉细砂层下层相对不透水，水泥土换填后余下粉砂层厚度减小，使通过此处的渗流流速增大。

(2) 渗流比降。计算所得各工况渗流比降见表3所示。图12、图13分别为出口段比降和水平段比降与水泥土换填厚度的关系曲线。可以看出，防渗墙的设置，可以显著降低节制闸水平段和出口段渗透比降。随着水泥土换填厚度增大，出口坡降逐渐减小，但同时水平坡降增加，当换填厚度为2.0 m时，水平比降接近允许值。换填厚度从1.5 m增加到2.0 m，出口比降降低了0.003，但水平比降升高了0.008。换填厚度超过2.0 m后，水平比降增速明显增大。同时，换填厚度越大，所需工程费用越高。因此，综合截渗效果和经济性，建议将水泥土换填厚度控制在0.5 m～1.5 m范围内。