宿州市埇桥区王桥闸防渗排水设计

赵少华

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，合肥230088）

1 概述

王桥老闸位于沱河中游、 宿州市埇桥区芦岭镇塌陷区内，目前已不能运行。为了水闸的安全和蓄水的需要， 王桥闸需要移址到塌陷区下游8.05km处重建。 重建的王桥闸5年一遇流量为268m3/s，20年一遇流量428m3/s，50年一遇流量509m3/s。新闸设计孔数为5孔，单孔净宽为7m，属中型水闸，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。 高程系采用1985国家高程基准。

2 工程地质条件

根据王桥闸所在的地质钻孔揭露情况， 土层从上至下大致可分为以下3个土体单元，描述如下：

图1 王桥闸纵剖视图

3 防渗排水设计

3.1 防渗长度计算

王桥闸挡水工况为单向挡水， 闸基属单向渗流，挡水工况最大水头差5.25m，闸室建基面高程为16.7m，出口消力池建基面高程为15.35m。在防渗范围内闸基表层主要为砂壤土，闸基防渗长度按式（1）计算：式中 L为闸基防渗长度（m）；ΔH为上、下游最大水位差（m）；C为渗径系数。 王桥闸闸基防渗长度结果如表1。

表1 王桥闸闸基防渗长度计算成果 单位：m

经计算，王桥闸闸基防渗长度需57.75m，王桥闸闸室底板长14.5m，上游混凝土铺盖长15.0m，下游侧钢筋混凝土消力池不透水部分水平长度14.0m，闸基实际水平防渗长度为43.5m，不满足要求，故需对水闸闸基进行防渗处理。

3.2 阻力系数法计算渗透稳定

为避免闸基砂壤土水平渗透破坏和下游出逸比降过大引起流土或管涌破坏， 需对水闸闸基进行渗透稳定计算，保证蓄水期间水闸正常运行。水闸底板下分两层地基，②层为砂壤土，可视为透水性较强的土层，③层为重粉质壤土，可视为相对不透水层。闸基渗透压力计算按照SL265—2016《水闸设计规范》公式进行。

进、出口段的阻力系数：

式中 ξy为内部垂直段的阻力系数。

水平段阻力系数：

式中 hi为各分段水头损失值 （m）；ξi为各分段的阻力系数；n为总分段数。

出口段渗流坡降计算公式：

式中 J为出口段渗流坡降值。

按照上述公式计算， 求得闸基水平段和出口段出逸坡降结果如表2。

表2 王桥闸闸基水平段和出口段渗透坡降计算成果（无截渗墙）

经计算， 王桥闸闸基水平段最大水力坡降为0.224、出口段最大水力坡降为0.333，水平值大于地质参数规定的允许坡降0.15，闸基的渗透稳定计算成果不满足要求，故需对闸基进行防渗处理。

3.3 Autobank软件计算渗透稳定

采用Autobank软件 （有限元方法求解二维渗流控制方程）进行水闸渗流计算，通过定义材料、划分网格、 定义边界条件后进行计算并绘制水闸闸基渗流的二维流网。 计算结果如图2。

图2 王桥闸闸基渗流计算成果图（无截渗墙）

图2结果显示，王桥闸闸基水平段最大水力坡降为0.215，出口段最大水力坡降为0.381，水平值大于地质参数规定的允许坡降0.15，闸基的渗透稳定计算成果不满足要求，故需对闸基进行防渗处理。

3.4 防渗处理措施

从上述3项计算可看出：闸基的防渗不满足要求。为保证蓄水期间水闸正常运行，根据闸基土层分布和砂壤土性质，可采用水平防渗或垂直防渗、闸基接触面土层处理及设置出口排水反滤等措施解决王桥闸闸基渗流问题。水平防渗措施通常可采用增加上游水平铺盖，常用方式为混凝土铺盖。 垂直防渗根据王桥闸挡水情况和地基土特性，结合其他工程经验，可采用多头小直径水泥土搅拌桩截渗墙，截断闸基下部透水层。 考虑水平防渗增加铺盖长度较大，且铺盖止水易损坏，铺盖底部易产生通道，难以保证长久的防渗效果，本次设计采用垂直防渗措施达到一劳永逸的效果。

多头小直径水泥土搅拌桩截渗墙布置于闸底板上游2.0m处、钢筋混凝土铺盖底部，下部进入③层重粉质壤土不小于1.0m，墙厚0.25m，两端横向延伸入翼墙底板，总长约50.0m。

为解决闸基排水，减小下游地基渗透压力，在下游消力池后段设置3排φ500mm冒水孔，梅花形布置，行距和孔距均为2.0m，其下设反滤体。 反滤料结构自上而下分别为碎石0.2m，瓜子片0.2m，中粗砂0.2m，开挖欠高部位底部中粗砂适当加厚。

根据上述所采取的措施， 采用阻力系数法及Autobank软件进行水闸渗流验算， 阻力系数法计算结果如表3，Autobank软件计算结果如图3。

表3 王桥闸闸基水平段和出口段渗透坡降计算成果（有截渗墙）

图3 王桥闸闸基渗流计算成果图（有截渗墙）

经计算， 王桥闸闸基水平段最大水力坡降为0.003，出口段最大水力坡降为0.002，均小于地质参数规定的允许坡降，闸基的渗透稳定计算成果满足要求。

根据图3计算结果，王桥闸闸基水平段及出口段最大水力坡降均接近于0，小于地质参数规定的允许坡降，闸基的渗透稳定计算成果满足要求。

采用阻力系数法及Autobank软件计算的水闸闸基渗流结果均满足渗透稳定要求， 故采用水泥土换填及截渗墙措施后，闸基防渗效果显著。

3.5 截渗墙设计指标及技术要求

多头小直径水泥土搅拌桩截渗墙主要设计指标如表4。

表4 截渗墙主要设计参数

在截渗墙施工前应采用试验方法来确定截渗墙施工工艺、水泥掺入量及水灰比，具体要求如下：

（1）在永久截渗墙部位取原土样进行水泥土室内试验（每种工况不少于3组）， 测定水泥土不同龄期、不同水泥掺入量和水灰比的试块渗透系数、抗渗能力和抗压强度，确定合适的水泥掺入量和水灰比。

（2）成墙过程中根据地质情况记录有关施工参数和可能出现的问题。

（3）成墙施工结束后，对形成的截渗墙取样试验，并开挖检查成墙质量，开挖深度2.0m左右，根据试验结果和检查情况最终确定截渗墙施工工艺。

（4）为检测多头小直径搅拌桩截渗墙防渗效果，进行现场围封注水试验。

在截渗墙施工时采用打先导孔的方式确定桩深，确保桩基底部进入弱透水层1.0m。 根据确定的施工工艺，进行截渗墙施工，施工中按严格控制施工质量。 相交桩体施工间隔时间不宜超过24h，保证桩体有效搭接厚度不小于60mm， 使用的钻头应定期复检，其直径磨耗量不得大于15mm。

在成桩后7d内，采用轻便触探器钻取桩身土样检查桩体均匀情况与完整性，抽检比例一般不低于2%。

在截渗墙墙体抽芯取样，取样高程分别位于砂层及其上部黏性土层， 分别进行28d龄期的抗压强度试验和水泥土水平渗透试验， 要求每层土至少3试样。现场取土，采用32.5R普通硅酸盐水泥，按桩体水泥掺入比（15%）拌制土样，进行室内试验，测定水泥土的抗压强度指标与渗透系数指标，与抽芯取样试验成果进行比较。 采用探地雷达等试验方法，抽查截渗墙是否有异常部位或质量缺陷处，每孔之间连接是否可靠。

4 结语

（1）砂壤土具有强度较高，抗冲条件较好等优点，是良好的下卧层，但砂壤土渗透系数较高，抗渗条件较差，当水闸等建筑物基面直接与此类土接触时，要注意闸基的防渗排水设计，防止出现闸基的渗透破坏。

（2） 多头小直径水泥土搅拌桩截渗墙是目前水工建筑物地基处理常用的一种截渗技术， 具有工艺简单、造价低廉等优点，施工中通过多桩相连形成一道截渗墙，截渗效果显著。

（3）截渗墙实际施工过程中一定要按照设计的指标及技术要求进行，施工质量的好坏直接关系到闸基的防渗效果，进而影响整个水闸后期的运行。

（4）王桥闸建成使用已有3年，水闸运行期间效果显著，蓄水库容大为增加，满足了周边240hm2土地的灌溉要求，同时还为当地的工业和生活用水提供了保障。