粘土铺盖在中小型水闸防渗中的应用

2022-12-31

鲁西南大部分地区系黄河、汶河冲击平原区, 土壤在竖向和水平方向上的分布变化较大, 土壤类别较多, 但以粉砂土为主。一些修建在粉砂土地基上的中小型水闸, 常有地基土受渗透水流和绕流的作用被水流带走或护坡、海漫下地基土液化后流失造成失事的。

粘土铺盖是利用粘性土料在水闸上游地面分层填筑碾压, 形成一种覆盖层, 与闸身防渗体相连接, 并向上游延伸至要求的长度, 用以覆盖渗漏部位, 加长渗径, 降低闸基渗流比降, 从而使闸基渗漏损失和渗流坡降减小至容许范围以内, 以保证闸基渗透稳定的一种常用的防渗设施。铺盖防渗通常是在充分研究工程条件 (水头、土料、地质等方面) , 并充分比较各种渗透控制措施以后而确定的, 它的优点是应用当地材料, 造价便宜;地面以上施工, 施工工艺及机械设备均较简单。而且当地基不透水层较深, 开挖截水槽比较困难时, 一般采用粘土铺盖法处理较为经济合理。粘土铺盖不能像垂直防渗设施那样完全截阻渗流, 防渗效果有一定限度, 故多在中、小型水利工程中使用。

通过实践, 在中小型水闸工程中, 利用粘土做铺盖、板桩和刺墙, 解决了渗透和绕流等问题, 在护坡和海漫下铺设粘土, 有效防止了塌坡和蛰陷。

1 粘土铺盖的防渗性能的确定

粘土铺盖的防渗性能取决于其长度、厚度和垂直向的渗透系数, 并与闸基土体的分层性及渗透性有关。一般通过计算和试验合理确定各项参数, 并应满足地基、铺盖以及铺盖与地基之间的渗透稳定要求。设计时先根据净水头和闸基的允许水力比降初步确定所需的等效长度, 然后通过经济比较选择铺盖的长度、厚度和渗透系数, 最后对铺盖本身的渗透稳定性进行校核。一般状态的粘性土都能起到粘土铺盖的作用, 其渗透系数最好不大于1×10-5cm/s, 如果渗透系数过大, 即使加长铺盖其防渗效果也不会有大的增加。

2 粘土铺盖、板桩和刺墙

中小型水闸大都为砌石结构, 上游浆砌石铺盖, 常因质量不易保证、缝隙不密实, 造成渗透“短路”, 即在闸门前下渗危及水闸安全。粘土铺盖即是在砌石铺盖下铺设一层不透水粘土, 以阻止上游水头的渗透。铺盖长度可根据渗径要求和板桩深度综合考虑。当地下水排除效果较好, 可适当增加粘土板桩的深度减少铺盖长度, 当地下水排除效果较差时, 可适当延长铺盖长度, 也可在铺盖前端再设一道板桩或齿墙。铺盖的厚度呈直线变化, 前端较薄, 靠近闸底板处较厚, 一般铺设厚度0.5~1.5米即可满足要求, 铺设时必须含水适量, 充分夯实。

具有代表性的粘土铺盖的断面型式, 一般可以分为等厚度铺盖、等渗透坡降铺盖、等厚连接等渗透坡降铺盖、梯形断面铺盖、折线断面铺盖与上游加齿墙铺盖等。为保证闸基不产生管涌, 如果用铺盖控制渗流, 则铺盖各部分的渗透坡降必须小于渗透允许值。等渗透坡降铺盖是全铺盖以同一渗透坡降值消耗水头, 充分发挥着粘土材料的作用, 防渗效果及经济效果最好。对比之下, 其它型式的铺盖只是局部以较大的渗透坡降值工作, 因此等渗透坡降铺盖从防渗效果方面提供了最优化的断面模式, 符合最优化设计理论。但铺盖的断面型式的确定应该是不同目的的综合选优, 断面型式的选择离不开具体条件。如果粘性土料丰富或工程量不大, 或铺盖坡降不大时, 可能以施工方便为选优目标, 则等厚铺盖为最优;如果以施工方便与经济效果同时为选优目标标时, 可能梯形断面铺盖为最优;如果以经济效果、抗渗性能与施工方便多目标同时进行选优时, 则可能以折线的等渗透坡降铺盖为最优, 或以适宜坡率的梯形断面铺盖为最优。但即使是梯形断面的优化设计铺盖, 其渗透坡降也只能是相对均匀, 常是上下游两端坡降大些而中间部分小些, 因而防渗效果用单位土方所获得的等效长度表示不如等渗透坡降铺盖。但梯形断面是常坡率, 施工控制简便, 在多数情况下综合考虑, 梯形断面铺盖通常被选优。

粘土板桩, 即在地板前端地基上, 横向开挖一深沟, 沟底宽可在0.5~0.8米左右, 沟坡越陡越好, 沟挖好后分层填筑粘土夯实, 形成一道不透水墙, 起到板桩作用。粘土板桩的长度可超过底板3~4米, 以防绕流再穿过闸基, 另外, 考虑到粘土刺墙也填筑在粘土板桩上, 所以板桩还可适当延长2米左右, 使其和板桩长度适应。板桩深一般为2米左右, 当沙层较浅时, 粘土板桩尽量加深使嵌入不透水层。

粘土刺墙, 随着边墩和翼墙的砌筑在粘土板桩上, 逐渐填筑起一道粘土墙, 形成粘土刺墙, 增长了绕流渗径, 削减了渗透水头, 有效地降低了边墩后的水位, 保证水闸安全。

3 护坡及海漫下的粘土铺盖

护坡和海漫下若是沙土特别是细沙土, 它们被水浸润后即变成流态, 随着水位和水流的作用, 它们不断流失, 造成塌坡和海漫蛰陷, 危及水闸安全。大江、大河当洪水水位下降时也有因此造成大堤塌坡出险的。在砌石护坡和海漫下铺设一定厚度的粘土, 可保护地基土不流失。护坡粘土可做成上薄下厚并充分夯实, 一般不少于30~50公分。海漫下可铺设0.8米等厚的粘土, 并充分夯实。根据海漫长度, 可酌情在海漫下游河坡和河底上, 再铺一定长度的粘土, 以改善水流冲刷条件, 确保水闸安全。

4 结论

上述方法在细沙、粉沙地基上修建的许多各类型的水闸中进行了应用, 均能保持水闸安全, 渗透和绕流满足了设计要求, 并避免了塌坡现象。例如流长河上修建的引黄河水补南四湖节制闸, 该闸地基系粉沙土, 工程曾设想过用木板桩、钢筋混凝土板桩、钢筋混凝土铺盖等结构, 但终因施工工艺复杂、难度较大、造价较高而否定, 后采用粘土做铺盖、板桩和刺墙, 并在上下游护坡和海漫下铺设粘土, 在海漫下游河底和河坡上有各铺10米长粘土, 取得了较好的效果, 经多年运行, 未出任何问题。而且粘土可在附近取得, 是一种廉价的材料, 可节约投资。这种方法施工简单易被掌握, 施工便利, 产生了良好的经济效益。

摘要：粘土铺盖是保证坝基渗透稳定的一种常用的防渗设施, 它的优点是应用当地材料, 造价便宜;地面以上施工, 施工工艺及机械设备均较简单。通过实践, 在中小型水闸工程中, 利用粘土做铺盖、板桩和刺墙, 解决了渗透和绕流等问题, 在护坡和海漫下铺设粘土, 有效防止了塌坡和蛰陷。

关键词：粘土铺盖,板桩,刺墙,防渗142-01