深厚砂性土地基大型水闸闸基防渗设计研究

罗金山，李凌镐，钟 乐，潘 松，李嘉明

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙，410014；2.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙，410014）

0 引言

在水利工程中，水闸作为挡水、泄水或取水的建筑物，应用广泛，是修建在河道或渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物。由于水闸上游和下游的水位往往不一样，存在水头差，闸上游水可经过闸基向下游产生渗流运动。水闸防渗设计的任务在于研究渗流规律，确定控制渗流的防渗结构，避免或减少渗流的不利影响，保证水闸安全工作，并做到经济合理。对于深厚砂性土地基而言，因砂性土性质松散、无粘聚力，渗透系数较大，在这样的地基上新建水闸防渗设计尤为重要，一般采用水平防渗结合垂直防渗的方式来延长渗径并降低渗流坡降。水平防渗措施一般为铺盖，常用的垂直防渗措施有板桩、灌浆帷幕、混凝土防渗墙等。在混凝土防渗墙技术发展的前期，墙体材料一般为普通混凝土，而21世纪以来，塑性混凝土也得到了普遍运用[1～6]。

本文以某深厚砂性土地基大型水闸为例，首先通过AutoBank 软件对防渗墙不同深度方案进行渗流分析，随后应用MIDAS 有限元软件建立墙体及其周边岩土体二维计算模型进行应力变形计算分析，最终选择了经济合理的防渗墙深度方案及防渗墙材料，本文提供的研究策略可供相关工程参考[7]。

1 工程概况

某水利枢纽（水闸）为Ⅱ等大（2）型工程，所在地区地震设计烈度为Ⅵ度。闸址轴线总长1 346.70m，从左岸往右布置有左岸段、泄水闸段、中间连接段、船闸段、右岸段。

泄水闸沿河床布置，总长752.8m，共设17 孔，由2孔宽净75m 的大孔闸和15 孔净宽30m 的常规泄水闸组成，泄水闸均为开敞式平底闸，堰型采用宽顶堰；泄水闸从左至右分为3 个区域：一区布置于河床左岸滩地，共8 孔，每孔净宽30m，堰顶高程6.0m（1985 国家高程基准，下同），建基面高程-2.0m；二区布置于河床中部，共2 孔，单孔净宽75m，堰顶高程6.0m，建基面高程0.0m；三区布置于河床右侧深泓部位，共7 孔，单孔净宽30m，堰顶高程6.0m，建基面高程-2.0m。一、二、三区闸室底板顺河向长度均为46m，上游均设置20m 长钢筋混凝土铺盖，闸室典型剖面见图1。

图1 泄水闸典型剖面图

2 地质条件

泄水闸区覆盖层厚度30.0m～49.2m，平均厚度为38.49m，泥质粉砂岩基岩面高程为-31.76m～-24.30m。强风化带厚度为0.6m～3.0m，平均厚度为1.97m，强风化带下限高程为-34.06m～-25.80m；弱风化带上部厚度为2.0m～9.5m，平均厚度为5.86m，弱风化带上部下限高程为-42.66m～-29.57m；揭露弱风化带下部厚度为0.5m～10.5m，均未揭穿。泄水闸闸底板主要置于圆砾、砾砂之上，其渗透系数分别为1×10-1cm/s、5×10-1cm/s，闸基具强透水性。

3 闸基防渗设计

本工程上下游水位差为10.23m，闸基具有强透水性，单靠闸室底板难以起防渗作用，需考虑上游铺盖+垂直防渗相结合的防渗型式[8]。本工程为深厚砂性土闸基，考虑到高喷帷幕灌浆地面钻杆的孔斜易造成孔底偏移进而影响防渗效果[9]，初步设计时垂直防渗选用简单可靠、应用广泛的混凝土防渗墙方案。

3.1 防渗墙深度设计

依据闸基地质参数，设计过程中选取了三区泄水闸作为典型计算断面，采用AutoBank 软件分别对泄水闸不设防渗墙方案，设10m、15m、20m 深防渗墙以及防渗墙伸入基岩1m 等5 个方案进行渗流分析计算。计算工况为泄水闸调控期控泄时的最不利运行工况，上游水位15.5m，下游水位5.27m，相应最大水头为10.23m。闸基渗流计算模型及各防渗墙方案渗流水头等值线计算结果详见图2～图7；根据软件后处理模块提供的各方案的渗流水力坡降等值线图，可读取各段渗透坡降，结合渗透系数、过流断面和渗流时间可确定各方案渗漏量，各方案渗流计算结果列于表1，表中水平段允许坡降值、出口段允许坡降值系根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）第6.0.4 条并结合地质条件综合确定。

图2 闸基渗流计算模型

图3 闸基渗流水头等值线（无防渗墙）

图4 闸基渗流水头等值线（10m 防渗墙）

图5 闸基渗流水头等值线（15m 防渗墙）

图6 闸基渗流水头等值线（20m 防渗墙）

图7 闸基渗流水头等值线（防渗墙伸入基岩1m）

根据计算结果，不设防渗墙及设置10m、15m、20m悬挂式防渗墙时，闸基出口段最大坡降均小于出口段允许坡降值，而水平段最大坡降均大于水平段允许坡降值，且渗漏量较大，不满足要求。而设置防渗墙至基岩时，满足渗流要求，且渗漏量小，因此选定的防渗墙深度方案为底部伸入相对不透水层即泥质粉砂岩1m。

3.2 防渗墙材料初选

防渗墙可考虑采用刚性（如普通混凝土、粉煤灰或黏土混凝土等）或柔性材料（如塑性混凝土、固化或自凝灰浆等）。本工程为大型水闸，施工期地下水位较高，工程区粉煤灰材料运距远，且砂砾石粒径局部较大，偏安全计，采用了常见的普通混凝土防渗墙方案与塑性混凝土防渗墙方案进行技术经济比较，最终从中选定防渗墙材料。

普通混凝土防渗墙不受地下水位的影响，且挡水水头高，但是须采用专门施工机械，进度较慢，成本较高。适用于各种土层及风化岩层、对防渗要求较高部位。

塑性混凝土防渗墙是在混凝土中掺入较多的膨润土、黏土等材料的大流动性混凝土，与普通混凝土防渗墙相比，其强度及弹性模量较低，适应地基性能强，近年得到了快速推广[10～12]。

3.3 防渗墙应力变形计算

采用有限元分析软件MIDAS GTS 对深厚砂性土地基大型水闸防渗墙采用普通混凝土和塑性混凝土时的应力变形状况进行计算，进而为普通混凝土配筋设计或塑性混凝土参数设计提供依据。

3.3.1 模型建立

因防渗墙沿轴线向可视作平面应变问题，故可简化建立二维模型计算应力变形状况。泄水闸二区与三区过渡段防渗墙深度最大，选取该处为典型计算断面：该截面处防渗墙顶部高程为-0.7m，底部深入基岩1m，底部高程为-28.3m，深度方向全长H 为27.6m，宽度为0.6m；因防渗墙为薄壁结构，墙底已深入基岩，可适度减小模型整体高度，模型总高取1.75H 即为48.0m，上下游侧土体宽度均取2H 即55m，模型总宽111.0m。模型中X 轴正方向为水流向，Y 轴正方向为竖直向上。防渗墙及土体等实体部分采用2D 平面应变单元，土体本构模型为修正摩尔库伦模型，混凝土本构模型为弹性模型；防渗墙与土体不共用节点，其间采用界面单元连接并模拟相互挤压摩擦作用。为便于研究防渗墙结构，将厚0.6m 的防渗墙划分为两排单元，防渗墙结构单元尺寸为0.3m；土层单元尺寸为0.5m；二维有限元模型共划分29 579 个单元，包含29 935 个节点。模型上游、下游边界固定X 向位移，底部按固端考虑，顶面为自由面；防渗墙由界面单元与土体形成接触，不施加约束。荷载主要包括上游及下游水压力、结构自重及顶部所受的铺盖重、土重及水重。上游与下游水压力合力为均布荷载，大小等同上下游水头差，压力值为102.3kN/m，施加于防渗墙上游侧；顶部受铺盖重、土重及水重，合力为均布荷载，大小为187.9kN/m，施加于防渗墙顶端及土体顶面。由此建立二维有限元模型[13～15]。

土层自上而下分别为圆砾层、强风化泥质粉砂岩、弱风化泥质粉砂岩。结构与土体均位于水下，以材料浮容重进行计算，模型中土层及混凝土材料主要参数见表2。

表2 模型材料参数

3.3.2 计算成果

通过对普通混凝土和塑性混凝土防渗墙墙体进行二维有限元应力变形计算，经过数据后处理，得到防渗墙上游侧和下游侧的应力并沿防渗墙高度分布曲线，见图8～图9；普通混凝土和塑性混凝土防渗墙水平及竖向位移并沿防渗墙高度分布曲线，见图10～图11。

图8 防渗墙上游侧应力曲线

图9 防渗墙下游侧应力曲线

图10 普通混凝土防渗墙位移曲线

图11 塑性混凝土防渗墙位移曲线

从计算结果来看，不管是上游侧还是下游侧，防渗墙上部均以拉应力为主，这主要是由于防渗墙竖向沉降变形受周围土体摩擦限制导致，普通混凝土防渗墙上部最大拉应力为0.52MPa，塑性混凝土防渗墙上部最大拉应力为0.17MPa，均未超过混凝土设计抗拉强度；防渗墙中下部以压应力为主：普通混凝土防渗墙模型中防渗墙最大压应力为4.49MPa，塑性混凝土防渗墙模型中防渗墙最大压应力为1.17MPa，均出现于防渗墙下部圆砾-泥质粉砂岩地层分界位置，分析主要是由于此处因土体与基岩弹性模量差异明显，在上下游水头压力作用下受压明显；在临近圆砾-泥质粉砂岩地层分界线的上部区域以及防渗墙底部嵌固端，普通混凝土防渗墙及塑性混凝土防渗墙应力分布有较大的区别——普通混凝土防渗墙在地层分界线上部区域局部受拉，最大拉应力值为0.37MPa，塑性混凝土防渗墙此处无拉应力；普通混凝土防渗墙底部嵌固端有较大的拉应力，最大拉应力值为1.46MPa，超过了C30 混凝土设计抗拉强度1.43MPa，塑性混凝土防渗墙底部嵌固端无拉应力。

普通及塑性混凝土防渗墙水平位移分布规律基本一致，在上层圆砾区存在最大水平位移，其值约2.7cm；由于塑性混凝土防渗墙的弹性模量低，在受压时塑性混凝土防渗墙竖向位移较大，最大值约9.1cm，普通混凝土防渗墙竖向位移最大值为0.9cm。

3.4 防渗墙材料选定

根据应力变形计算成果可知，塑性混凝土防渗墙具有一定柔性，与土层位移协调效果较好，其整体应力状态优于普通混凝土防渗墙。因普通混凝土防渗墙局部区域拉应力超过了C30 混凝土设计抗拉强度，需对其配筋以限制裂缝发生，以免影响防渗效果。

本工程防渗墙成墙面积约2.2 万m2，经测算，塑性混凝土防渗墙单价约为1300 元/m2，合价2860 万元，C30 普通混凝土防渗墙单价约1400 元/m2，合价3080万元，采用塑性混凝土可减少工程费用约220 万元。

根据技术经济综合比选，防渗墙材料选定为塑性混凝土，其渗透系数不大于5×10-7cm/s，允许渗透坡降J＞100，28 天抗压强度1MPa≤fcu≤5MPa（弹强比150～500），弹性模量800MPa～1 000MPa。

4 结语

为研究某深厚砂性土地基大型水闸工程的防渗设计方案，分别应用AutoBank 软件和MIDAS 有限元软件进行了渗流和应力变形计算分析，根据研究成果可知：

（1）不设防渗墙及设置10m、15m、20m 悬挂式防渗墙时，闸基出口段最大坡降均小于出口段允许坡降值，而水平段最大坡降均大于水平段允许坡降值，且渗漏量较大，不满足要求。而设置防渗墙至基岩时，满足渗流要求，且渗漏量小，因此选定的防渗墙深度方案为底部伸入相对不透水层即泥质粉砂岩1m。

（2）不管是上游侧还是下游侧，防渗墙上部均以拉应力为主，这主要是由于防渗墙竖向沉降变形受周围土体摩擦限制导致，普通混凝土防渗墙上部最大拉应力为0.52MPa，塑性混凝土防渗墙上部最大拉应力为0.17MPa，均未超过混凝土设计抗拉强度；防渗墙中下部以压应力为主：普通混凝土防渗墙模型中防渗墙最大压应力为4.49MPa，塑性混凝土防渗墙模型中防渗墙最大压应力为1.17MPa，均出现于防渗墙下部圆砾-泥质粉砂岩地层分界位置，分析主要是由于此处因土体与基岩弹性模量差异明显，在上下游水头压力作用下受压明显；在临近圆砾-泥质粉砂岩地层分界线的上部区域以及防渗墙底部嵌固端，普通混凝土防渗墙及塑性混凝土防渗墙应力分布有较大的区别，普通混凝土防渗墙在地层分界线上部区域局部受拉，最大拉应力值为0.37MPa，塑性混凝土防渗墙此处无拉应力；普通混凝土防渗墙底部嵌固端有较大的拉应力，最大拉应力值为1.46MPa，超过了C30 混凝土设计抗拉强度1.43MPa，塑性混凝土防渗墙底部嵌固端无拉应力。

（3）普通及塑性混凝土防渗墙水平位移分布规律基本一致，在上层圆砾区存在最大水平位移，其值约2.7cm；由于塑性混凝土防渗墙的弹性模量低，在受压时塑性混凝土防渗墙竖向位移较大，最大值约9.1cm，普通混凝土防渗墙竖向位移最大值为0.9cm。

（4）本次采用二维简化模型对防渗墙应力变形进行研究，土体本构模型采用的修正摩尔库伦模型，混凝土本构模型采用的是弹性模型。有研究指出，塑性混凝土具有与土体相似的本构关系，本次未能就塑性混凝土采用与土体相似本构关系展开分析，下一步将进一步进行研究。