深层透水地基上水闸渗流安全分析与评价

罗居刚

(安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽 合肥 230088)

水闸安全的影响因素主要有闸室稳定性、结构强度、渗流安全等。渗流安全问题在很大程度上影响着水闸的安全指标。闸基土体在渗流作用下会引发流土、管涌、接触冲刷等渗透变形。渗透变形对水闸工程安全的影响较大，严重时会引起水闸失稳，特别是建在含有承压水的粉砂层地基上的水闸[1]。渗透变形产生的因素主要是土体性质和水力条件。水闸渗流安全评价主要是应用渗流理论并根据闸基地质情况及上下游水位条件等参数进行渗流计算分析，得出闸基地下轮廓线各点土体的渗流压力、水力坡降等，同时结合现行规范，对水闸渗流状况进行综合评价[2-4]。对水闸渗流进行科学准确的分析，可为合理选择渗流控制措施、评价水闸的安全性提供可靠依据。在水闸渗流计算分析中，由于渗流场会呈现不同程度的非均质及各向异性，边界条件也较为复杂，因此采用解析求解的方法较为困难，常用的近似解法往往难以得到令人满意的结果，而采用模型实验的方法，在实际操作中又会受到一些条件的限制，因此研究应用先进高效的渗流计算分析方法具有十分重要的现实意义[5-6]。近年来，随着有限元法在渗流领域的成功应用，渗流数学模型得到了较大发展，为渗流计算分析提供了有力支撑[7-8]。本文以南润段进(退)洪闸工程为水闸渗流分析模型，利用有限元渗流计算软件AutoBANK，针对其地基土体性质和水力条件，分别采用渗径系数法、改进阻力系数法和有限元方法，对该工程在防渗最不利工况下的闸基渗流和闸下深层地基渗流进行了计算分析和安全评价。

1 工程概况

南润段进(退)洪闸工程位于颍上县南润段行洪区原下口门附近，是2007年淮河大水后根据淮河干流蓄滞洪区调整规划实施的淮河流域灾后重建重点建设项目之一。工程为Ⅲ等中型，主要建筑物为3级，设计过闸流量为600m3/s。闸室采用钢筋混凝土开敞式结构，共5孔，每孔净宽8.00m，总宽47.22m，顺水流方向长15.50m。闸墩分缝，分二孔一联及三孔一联，底板顶高程21.00m，底板厚1.40m；闸墩顶高程29.50m，中墩厚1.20m，缝墩及边墩厚均为0.90m，岸墙采用钢筋混凝土空箱结构，闸下湖内侧右岸设桥头堡，闸室顶部布置公路桥和工作桥，工作桥上设启闭机房。上下游翼墙采用钢筋混凝土扶壁式及悬臂式结构。闸室上游侧(淮河侧)设20.0m长钢筋混凝土挖深式消力池(兼做铺盖)，池深1.50m，消力池后布置总长30.00m混凝土海漫，后接长15.00m防冲槽。工作闸门采用平面定轮钢闸门，尺寸为8.2m×7.5m(宽×高)，配QP-2×250kN固定卷扬式启闭机。

2 水文地质条件

根据地勘资料，在地面以下30m勘探深度范围内，地下水类型为浅层松散类孔隙水，根据地层岩性和含水层特征可划分出3层含水层和2层隔水层，其中第1含水层为潜水，第2、第3含水层为承压水。各含水层中与工程较密切的为第1、第2含水层，第3含水层埋藏较深，对本工程基本不构成影响。在场区内，潜水主要接受河水及大气降水补给，通过地面蒸发和向淮河排泄，受季节或枯水期、丰水期的影响，与淮河水有密切的水力联系。由于第1、第2含水层之间无相对隔水层，故承压水和潜水在勘察区内相互影响较明显。在勘探深度内自上而下各土层物理力学参数建议值见表1。工程区地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度，闸址区场地土为中软场地土类型，场地类别为Ⅲ类[9-10]。闸基及翼墙基础持力层均位于第1层中粉质壤土层，其具有弱透水性，承载力特征值为100kPa。第2层中、细砂层具有中等透水性，是闸基深层透水层。为提高地基的整体稳定性，闸室、翼墙地基采用水泥土搅拌桩进行处理。

表1 各土层物理力学参数建议值

3 防渗排水体系

由于该进(退)洪闸工程反向挡水时水位差较小，故防渗排水设计采用单向布置形式。闸室前端设置深11.00m的垂直防渗墙，闸基防渗由淮河侧消力池、闸基防渗墙及闸底板三部分共同构成。闸基防渗布置轮廓线见图1，防渗长度约79m。淮河侧消力池(兼做铺盖)采用钢筋混凝土结构，厚度0.70m，消力池纵向设缝，并在分缝处及其与闸底板、翼墙底板等接缝处设水平止水。在闸基水平防渗范围内，闸室、岸墙和翼墙等分缝处设垂直与水平止水，以防侧向绕渗。与上述防渗布置相对应，在湖内侧消力池底板上布置排水孔，排水孔直径100mm，呈梅花形布置，孔距2.00m，排水孔下设砂石反滤料。此外，为确保汛期淮河高水位时在砂层承压水的顶托下闸基土层不致发生渗透破坏，在消力池底板下设直径200mm不完全排水减压砂井，井口位于反滤层内，砂井底高程12.00m，间排距7m，共2排。

图1 闸基防渗布置轮廓线 (高程单位：m，尺寸单位：mm)

4 渗流安全复核计算

4.1 计算工况及参数

该工程上下游水头差最大的设计挡水工况，闸上淮河侧水位27.92m，闸下湖内侧无水(地下水位20.50m)，最大水位差为7.42m。在勘探期间内，测得闸基第二含水层承压水位为20.50m，承压水头高度为6.5～7.0m。因此，该工程防渗最不利工况为上下游水头差最大的设计挡水工况，最大水位差取7.42m。渗流计算中，考虑防渗墙不透水，计算参数见表1和图1，据此分别计算该工况下水闸的闸基渗流、深层地基渗流的安全性。

4.2 闸基渗流复核计算

4.2.1 闸基防渗长度复核

根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)[2]，土基上的闸基防渗长度计算可采用渗径系数法，防渗长度应满足下式：

L≥CΔH

(1)

式中：L为闸基防渗长度，即闸基防渗轮廓线水平段和垂直段长度总和,m；C为允许渗径系数，闸基为中粉质壤土取7；ΔH为计算水头,m。

根据水闸运行条件，设计挡水工况最大水头差7.42m，该工况对抗渗稳定最为不利，按式(1)计算所需防渗长度为51.94m。水闸闸基实际防渗长度约为69m，大于计算所需防渗长度，因此闸基防渗长度满足要求。

4.2.2 闸基抗渗稳定验算

根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)[2]，土基上的闸基抗渗稳定计算可采用改进阻力系数法，闸基地下轮廓线见图1。根据该水闸地基土类别，水平段水力坡降允许值可取0.15，出口段水力坡降允许值为0.40～0.50。考虑到该工程出口设置反滤层，允许水力坡降值可加大30%，调整后的水平段和出口段，水力坡降允许值分别为0.19和0.52～0.65。

4.2.2.1 地基有效深度Te计算

地下轮廓的水平投影长度L0=35.5m，垂直投影长度S0=12.5m，L0/S0<5，地基为深层透水地基，经计算，地基有效深度Te为17.5m。

4.2.2.2 分段阻力系数计算

a.进、出口段

(2)

式中：ξ0为进、出口段的阻力系数；S为板桩或者齿墙的入土深度；T为地基透水层深度。

b.内部垂直段：

(3)

式中：ξy为垂直段的阻力系数。

c.水平段

(4)

式中：ξx为水平段的阻力系数；Lx为水平段长度；S1、S2分别为进、出口段板桩或者齿墙的入土深度。

4.2.2.3 分段水头损失计算

各分段水头损失值按下式计算：

(5)

式中：ΔH为上、下游水位差,m；hi为各分段的水头损失值,m；ξi为各分段的阻力系数；n为总分段数。

4.2.2.4 进、出口段修正

进、出口段修正后的水头损失值按下式计算：

(6)

其中

(7)

式中：h0为进、出口段的水头损失值,m；h′0为修正后的水头损失值,m；β′为阻力修正系数，当计算的β′<1.0时，才进行修正；S′为底板埋深与板桩入土深度之和,m；T′为板桩另一侧地基透水层深度,m。

修正后水头损失的减少值Δh按下式计算：

Δh=(1-β′)h0

(8)

4.2.2.5 抗渗稳定性复核结果

根据《水闸设计规范》(SL 265—2016 )表6.0.4[2]，水平段和出口段的水力坡降值须小于规定的允许水力坡降值，底板水平段和出口段的水力坡降按下式计算：

(9)

式中：h′0、s′0分别为水头损失值和底板水平段长度或出口段垂直长度,m。

按照上述公式进行计算，闸基底板水平段和出口段水力坡降计算结果及相应允许水力坡降见表2。经复核计算，闸基水平段和出口段的水力坡降值均小于规范允许水力坡降值，闸基抗渗稳定满足规范要求。

表2 闸基底板水平段和出口段出逸坡降及相应允许水力坡降值

4.3 深层地基渗流复核计算

闸底板底高程为19.60m，根据地质勘察报告，闸底板下第2层中、细砂呈中等透水性，渗透系数5.0×10-3cm/s，层底高程9.30～10.80m，为闸基深层透水层，对闸基抗渗稳定不利。采用有限元法对水闸深层地基渗流稳定进行计算，计算工况取水头差最大的设计挡水工况，闸基各土层渗透系数见表1。有限元建模及渗流计算结果见图2～图4。

图2 有限元网格

图3 流速矢量图

图4 水力坡降等值线图

根据《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2016)[10]，该闸基土体主要为壤土、粉质壤土和砂土，流土为主要的渗透破坏形式。流土允许水力坡降值为临界水力坡降与安全系数K的比值，K取1.5～2.0，临界水力坡降计算式为

Jcr=(Gs-1)-(e+1)

(10)

式中：Jcr为土的临界水力坡降；Gs为土粒密度与水密度之比；e为土的孔隙比。

根据表1中各土层参数值，临界水力坡降和允许水力坡降值计算结果见表3。从图4可知，水闸深层地基各点水力坡降值为0.02～0.46，均小于允许水力坡降值，因此，水闸深层地基渗流安全满足规范要求。

表3 各土层水力坡降计算

4.4 渗流安全评价

根据以上复核计算结果，在工程防渗最不利的设计挡水工况下，水闸闸基实际防渗长度大于规范要求的防渗长度，闸基防渗长度满足要求；闸基水平段和出口段的水力坡降值均小于规范允许水力坡降值，闸基抗渗稳定满足规范要求；闸下地基各点水力坡降值均小于规范允许水力坡降值，且闸基渗流场分布符合一般规律，水闸深层地基渗流安全满足规范要求。综上，根据《水闸安全评价导则》(SL 214—2015)[3]，综合评定该水闸渗流安全等级为A级。

5 结 语

a.本文结合颍上县南润段进(退)洪闸工程，分别采用渗径系数法、改进阻力系数法和有限元方法，复核计算了该工程防渗最不利的设计挡水工况下水闸的闸基防渗长度、闸基水平段和出口段的水力坡降以及闸下深层地基各点土体的水力坡降值，计算结果均满足规范要求，闸基土体不易产生渗透破坏，综合评定该水闸渗流安全等级为A级。

b.对于含砂性土透水层的水闸地基，通常需在闸室前端设置垂直防渗墙,这是深层透水地基防渗处理的一种有效措施。该类闸基土体渗流介质和边界条件较为复杂，利用渗流计算软件AutoBANK，针对其地基土体性质和水力条件建立了有限元模型，进行渗流场有限元计算分析，计算结果较之通常的近似解法更精确、可靠。

c.运用有限元方法可以通过有限单元的精细划分实现对渗流场的精确模拟分析，能计算出渗流场内任一点的渗压水头和渗透坡降值，相比改进阻力系数法只能计算出地下轮廓线上各角隅点上的相应值，有限元方法具有明显的优势，因此被越来越多地应用到渗流计算领域。但目前开发应用的有限元渗流计算软件基于的都是达西定律理论框架，对于在非达西渗流场中的应用，尚需进一步研究。