浅析平原水闸侧向渗透破坏原因及防治措施

平原地区水闸多建于土基上, 其两侧均为回填土。土是一种由碎散矿物颗粒组成, 并具有连续孔隙的多孔介质。水是土的三相组成部分之一。当土中孔隙完全被水饱和时, 由于水所处位置的不同, 当水闸承受水头作用时, 水就从高位向低位流动。水通过土中连续孔隙流动称为渗流。土被水渗流通过的性能称为渗透性。水在土孔隙中渗流, 水与土相互作用, 必然导致土体中应力状态的改变、变形和强度特性的变化, 造成渗透变形或渗透破坏。管涌和流土是渗透破坏的两种形式, 它直接影响着土体的稳定, 足以导致水闸破坏。从水闸建筑物的建设程序上讲, 无论是从设计方面, 还是从施工方面, 对水闸闸基防渗的重视程度远大于对水闸侧向防渗, 从河北省衡水市近年来水闸的破坏情况来看, 足以说明此问题。

1 水闸破坏情况及程度

衡水市境内的栗庄、合立、反修闸等, 均建于世纪7 0、8 0年代, 砖石结构起排沥、排涝及防洪保安作用。经过几十年的运行, 造成不同程度的险情, 概括表现为: (1) 建筑物回填土与堤身结合处出现裂缝, 形成漏水; (2) 靠近堤身的水闸两侧土形成不同程度的沉陷; (3) 水位低的一侧, 左、右翼墙及护坡裂缝处有渗水; (4) 靠近水闸两侧的土产生垂直于闸室横向的裂缝。这些险情均足以使水闸毁坏, 造成不可挽回的损失。经采用打桩、填草袋、封堵闸门等临时抢险措施才避免大问题的出现。

2 破坏原因分析

出现水闸破坏的原因是多方面的, 概括起来, 可归纳为如下几种。

2.1 施工质量差, 土质不均匀

由于水闸两侧回填土土质不均匀, 土粒体积大的部位, 土体空隙率大, 渗透能力强, 在侧向渗透达到其允许的渗透系数时, 土中细小颗粒开始处于悬浮状态, 接着被渗水带走。细小颗粒被带走后, 土中空隙增大, 随之, 渗透流速也增大, 因而, 又带走了较大的颗粒, 这样恶性循环下去, 导致流速的逐渐增加和更多的土粒流失, 使土体形成疏松带, 形成管涌, 以致造成沉陷。

2.2 施工质量差

由于水闸两侧及两岸翼墙回填土碾压不密实, 特别是回填土与建筑物及堤身结合处, 由于工作面较窄, 施工难度大等原因, 造成土体压实度达不到要求。水闸经长时间浸泡, 土体松软, 水位下降后, 土体密实度加大, 从而造成土体沉陷, 由于越靠近水闸的地方, 回填土越深, 其沉陷量就越大, 从而, 在远离水闸的一侧就会出现裂缝。

2.3 自然原因

水闸建成后, 闸身两侧土体经过几年的冻融循环, 造成土体与闸身结合处产生空隙, 形成裂缝, 上游渗水沿此缝隙自由地流向下游, 水流对结合处土体产生冲刷作用, 由此造成了严重的险情。由于发现及时, 处理妥当, 人力和物力充足, 才使水闸免遭破坏。

2.4 管理维修跟不上

受社会经济水平所限, 我国水利行业一直存在着重建设、轻管理的致命问题, 特别是上世纪80年代后期, 管理费用逐渐减少, 工程出现问题不能及时解决, 造成水闸上、下游护砌坍塌, 部分被冲毁, 上下游翼墙出现裂缝, 使侧向回填土土粒随渗水带走, 形成侧向渗透破坏。

2.5 设计方面原因

衡水市被损坏的水闸多为70、80年代设计, 那时人们设计观念不同、设计深度低、尊重科学的意识不高, 存在着高水位一侧忽视防水设施或防水设施不健全、低水位一侧忽视排水设施或排水设施不健全等弊端。笼统地讲, 设计中忽视了侧向土体的抗渗稳定性, 造成侧向渗透破坏。

3 防治措施

笔者认为, 为预防渗透破坏的产生, 应从以下几个方面采取措施。

3.1 设计方面

如同闸下正槽的地下轮廓设计一样, 水闸两侧绕渗的防渗设计也是很重要的。尤其是灌溉渠系上的进水闸, 闸身横断面总宽度一般比较小, 两岸绕渗对水闸稳定性的影响更大。当两岸地下水位较高时, 侧向渗流问题格外不容忽视。

水闸防渗包括侧向防渗及基础防渗, 由于水闸侧向渗流及闸基渗流是一个连通的统一体系, 因此在进行水闸侧向防渗设计时, 同样应根据闸基防渗的“高防低排”的设计原则, 必须与闸下正槽相配合, 取得协调一致, 高挡与低排同样重要, 不得忽视其一。笔者认为高水位一侧的防渗设计, 除采用有关专业书本中介绍的方法之外, 可考虑侧向在垂直于岸墙或边墙的方向增设截渗隔水的土工膜, 土工膜的一侧粘贴在岸墙或边墙上, 这样可以解决回填土与水闸结合处缝隙的渗水问题。而低水位的一侧, 为使渗水尽快排出, 又不带走土体颗粒, 宜在靠近非防渗范围段的护坡或翼墙后增设反滤层。这样, 不仅可以防止渗透变形, 而且可以减少作用在翼墙上的侧向压力和扬压力。当闸身两侧或翼墙后回填土较深时, 为防止不均匀沉陷产生的裂缝, 可在回填部位的底部增设一定厚度的灰土, 以保证沉陷均匀。

3.2 施工方面

为提高工程质量, 侧向回填土应尽量采用抗渗性较强的粘性均质土, 且不含草皮、树根、树叶、砖石等杂物, 含水量要适中, 且层土层夯, 每层厚度宜不大于30cm回填土压实度不得小于土样试验值。施工单位应加强对回填土与原状土、岸墙或边墙结合处施工困难部位的质量进行重点检查, 发现问题及时处理。回填土采用适宜的反滤料, 保证土粒既不能从反滤层中渗出又不能堵塞反滤层。

3.3 管理方面

由于水利工程管理体制存在着许多弊端, 导致大量水利工程得不到正常的养护国家近年来相继投入巨资新建的大量水利设施也将老化失修, 积病成险。推进水利工程管理体制改革已迫在眉睫, 势在必行。

适应社会主义市场经济的要求, 加快贯彻落实国务院体改办关于《水利工程管理体制改革实施意见》, 放开所有权, 搞活经营权, 强化管理权, 明确收益权, 建立产权清晰、责权利统一的经营管理体制, 本着“谁建设、谁投资、谁受益、谁管理”的原则, 逐步摸索出一条行之有效的路子, 鼓励、吸收广大群众参与水利工程的管理, 努力将水闸的保护同管理人员的切身利益联系起来, 将工程险情消灭在萌芽状态。

从以往工程的运行情况来看, 侧向渗透变形是水闸失事的重要原因之一, 不管是施工单位、设计单位还是管理单位都应该将其摆在重要的位置来对待, 只有这样, 才能增加水闸的寿命, 减少对水闸维修投入, 使水闸发挥更大的效益。

摘要：通过对平原水闸侧向渗透破坏原因的分析, 提出解决平原水闸侧向渗透破坏的行之有效的措施, 为平原地区水闸的设计、施工和管理提供借鉴。

关键词：侧向渗透,原因分析,防治措施