反压闸在万福低闸闸基渗控处理中的应用分析

陈 会，肖 烨

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070)

修建于江河堤防线上的水闸，在满足灌溉或排水功能的前提下，其防洪安全也是必须考虑的重点。其中，减小渗透变形对水闸及所在堤防工程安全的影响尤为重要。地基土体结构在渗流作用下发生的变化，统称为渗透变形[1]；渗透变形对建筑物的破坏往往不可预见，一经发现，难以弥补。特别是建于粉砂地基上的水闸，因防渗设计不周致使发生渗透变形的事例屡见不鲜。万福低闸粉砂层分布广且深，一旦发生管涌等渗透变形，闸基易形成疏松带或空洞，轻则削弱水闸挡水功能，重则使水闸倾斜、断裂、塌陷[2]。本文针对万福低闸粉砂地基状况，在采用延长水平渗径、水泥土搅拌桩垂直防渗墙的基础上，通过AutoBank软件计算，分析对比有无反压闸对万福低闸闸基渗控的处理效果。

1 万福低闸渗控分析

1.1 工程概况

万福低闸原址位于汉江左岸桩号125+690处，为穿堤自排水涵闸，主要排泄沉湖一带渍水，系天门和汉川420 km2来水的总出口。原闸建设年代久远，由于基础差、施工不良、沉陷等原因，为保障防洪安全，该闸于1985年封堵。封堵后，沉湖地区抗灾问题日益突出，自排能力大幅下降。经设计、批复，万福低闸重建工程于2019年开始施工。该闸建基面主要为粉细砂层，且深层仍有粉砂分布，闸基防渗极为不利；加之近年来汉江汛情频发，对重建后的万福低闸渗控能力提出了更高的要求。

1.2 地质情况

工程区土层为第四系全新统(Q4)及上更新统(Q3)的冲、湖积物，土层成层性较好，厚度不均一，岩性变化不大。根据地质钻探成果，闸基自上而下分别为粉细砂、砂壤土等互层、粘土、壤土、粉砂等；粉细砂层分布稳定，贯穿堤内外，闸基以下最厚约3.0 m，以粉砂为主，细砂次之，粘粒含量小于3%，为中密、饱和状；粉砂层呈稍密、饱和状，成分以石英、云母为主，顶板高程-0.50～-3.45 m，钻探未揭穿。相关地层参数详见表1。

表1 地基土体渗透变形参数

1.3 工程设计

万福低闸设计排水流量100 m3/s，为2级水闸，底槛高程19.50 m，孔宽5.0 m，共2孔。建基面粉砂层出露，防渗措施是本次重建的设计重点。当闸基为粉土、粉细砂、轻砂壤土或轻质粉砂壤土时，闸室上游宜采用铺盖和垂直防渗体相结合的布置形式；垂直防渗体宜布置在闸室底板的上游端[3]；在渗流出口应设置级配良好的滤层，防止渗流出口处土体因渗透变形或流失而造成破坏。具体工程措施如下：

闸室长15 m，前接90 m长穿堤箱涵，闸室与箱涵间均设铜片止水，以形成不透水轮廓延长水平渗径。在闸室底板上游端设置水泥土搅拌桩防渗墙[4]，桩体直径0.5 m，双排梅花形套接布置，深度约8 m，有效厚度0.4 m，闸室两侧适当延长以防止侧向绕渗。关闸挡水时的渗流出口位于箱涵前连接段底板，设排水孔，下设三层反滤料。

然而，闸基粉砂层分布较广，且钻探显示深层仍有粉砂层分布，层底未揭穿，垂直防渗体并未完全截断其渗流通道。同时，近年来汉江汛情频发，为进一步避免建成后出现渗透险情，充分保证万福低闸汛期防御洪水的安全裕度，考虑在堤内增设一座配套反压闸，汛期高水位时堤内反压闸前蓄水反压，以减少万福低闸上下游水头差，防止渗透破坏对防洪安全产生影响。蓄水反压是一种水平衡压渗法，顺应并利用水流运动规律，其工作特点是压而不堵，渗透水流的通道不被堵塞，在渗透变形抢护中实用且有效[5-6]。

反压闸与箱涵进口相距约150 m，其间为连接建筑物及排水渠道。反压闸底槛高程、孔口均与低闸同等设计。闸室前后设混凝土底板以实现自身防渗。

万福低闸闸下为汉江，所在堤防处设计洪水位为32.85 m。因水闸使用年限较长，针对其稳定及防渗的加固相对较难，充分考虑涵闸整个使用期的防洪安全要求，确定万福低闸设计防洪水位在堤防设计洪水位以上提高0.5 m，即为33.35 m。堤内河侧最低水位为22.92 m。为实现反压效果，设计反压水位应大于内渠侧最低水位；由于内河侧排水渠顶高程26.50 m，预留1.5 m的水位超高，反压闸闸前设计反压水位取25.00 m。工程布置示意见图1。

图1 万福低闸及配套反压闸布置示意图

1.4 闸基渗流稳定分析

计算采用二维渗流场有限元软件AutoBank，该软件在水工渗流计算方面针对性强，计算精度满足要求[7]。分别对有无配套反压闸情形下万福低闸闸基渗流稳定进行计算，计算结果应以能满足闸基渗流实际水力坡降小于允许值为准，即：

J≤J允

式中：J为实际水力坡降，渗流计算得出；J允为土层的允许坡降。

1.4.1 计算工况

闸址所在汉江段2021年汛期最高水位为32.43 m。

结合实际并根据相关规范，选取闸基渗流稳定风险较大的几种水位组合进行计算。外江水位分别考虑2021年汛期最高水位32.43 m、堤防设计洪水位32.85 m、涵闸设防水位33.35 m，内河水位分别考虑无配套反压闸情形的最低水位22.92 m、有配套反压闸情形的设计反压水位25.00 m，内外水位分别组合共6种计算工况。

1.4.2 计算结果

计算结果见表2。

表2 各工况渗流稳定计算结果

通过计算结果分析，无配套反压闸时，堤内渗流水力坡降接近允许值，处于临界状态；表明对处于粉砂地基上的该闸而言，单一通过延长渗径防渗的效果并不理想，对此类水闸宜采取多种防渗技术相结合的措施；配套反压闸后，水力坡降一定程度上降低明显，工程防渗效果增强。2021年万福低闸及反压闸安全度汛，运行状态正常，与计算结果基本相符，可认为配套反压闸的渗控处理措施得当有效。

需要注意的是，反压闸削减万福低闸水头差的过程，其本质是将一部分水头转移到由其自身承受。因此，对反压闸在设计反压工况进行渗流稳定计算，计算水平段坡降0.0644，出口段坡降0.193，仍能满足规范要求。

2 结 语

1)渗透变形问题对穿堤涵闸安全运行影响较大，需根据涵闸具体情况采取针对性的措施，必要时可采用多种防渗加固技术相结合的方式。

2)万福低闸闸基粉砂层分布广泛且深，水闸抵御高水位洪水时，延长渗径在一定程度上未能起到有效减少水力坡降的作用，水力坡降计算值接近允许值，处于临界状态；为充分保证其抵御洪水的能力，需考虑适当的渗控辅助措施。

3)采取反压措施后，万福低闸承受水头得以减小，水力坡降明显降低，各工况计算值均小于允许值，证明反压闸在本工程渗控处理中效果较好。2021年汉江汛期，万福低闸与配套反压闸安全度汛，状态稳定，表明计算结果符合本工程实际，也说明采用的计算方法及土层物理参数适合本工程的情况。

4)反压闸设置于渠道之上，自身能承受的水头有限；采用反压闸进行渗控处理时，应充分考虑其适用性，并确保其自身防渗安全。