朱學(xué)英，魯文妍

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，天津 300222； 2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

水泥土是由土顆粒、水泥、水、外加劑組成的復(fù)合材料[1]，具有價(jià)格低廉，綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]，在地基處理、邊坡加固、基坑防滲圍護(hù)等工程中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。通過(guò)將水泥漿或水泥與土體均勻攪拌，使水泥與土發(fā)生物理化學(xué)作用[6]，生成的連續(xù)整體的、堅(jiān)硬的水泥土混合物[7]。相比原始土體，水泥土不僅具有高強(qiáng)度[8]、低壓縮性[9]，還具有低滲透性的特點(diǎn)[10]。水泥通過(guò)與水發(fā)生反應(yīng)來(lái)固化土體，生成氫氧化鈣等細(xì)小顆粒的膠體物質(zhì)[11]，這些細(xì)小顆粒填充在土體顆粒之間，阻斷了聯(lián)通的孔隙通道，減小了土體的滲透系數(shù)[12-13]。

我國(guó)黃泛區(qū)、沿海、長(zhǎng)江口等區(qū)域廣泛分布有粉砂土層，近年來(lái),江淮主干流大型工程相繼興建，許多水閘樞紐工程修建于粉砂地基上[14]。粉砂地基透水性強(qiáng)[15]，抗?jié)B允許坡降低，需做好截滲工作。渦河移址新建蒙城樞紐工程即面臨這一問(wèn)題，其節(jié)制閘工程建基面為粉砂、粉細(xì)砂地層，設(shè)計(jì)擋水水頭大，截滲問(wèn)題突出，工程建設(shè)中采用水泥土換填技術(shù)來(lái)進(jìn)行閘基處理。本文采用有限元方法開展了不同水泥土換填厚度的閘基滲流分析，旨在為工程中水泥土換填厚度的選取提供參考。

1 工程概況

移址新建蒙城樞紐是渦河上一座綜合性水利樞紐工程，工程等別為Ⅱ等大(2)型，具有防洪排澇、蓄水灌溉、航運(yùn)等多種功能。因打造城市水環(huán)境、船閘通航能力提升等原因在原渦河蒙城樞紐基礎(chǔ)上實(shí)施改建。原渦河蒙城樞紐建成于1960年，由節(jié)制閘、分洪閘、船閘三座建筑物組成，控制流域面積15 475 km2，設(shè)計(jì)蓄水灌溉面積2萬(wàn)hm2，兩岸堤防為1級(jí)堤防，其地理位置十分重要。新建蒙城樞紐位于原樞紐下游約10.3 km處。樞紐下移重建后，節(jié)制閘按20年一遇設(shè)計(jì)過(guò)閘流量2 400 m3/s，50年一遇校核流量2 900 m3/s，正常蓄水位設(shè)計(jì)擋水水頭7.50 m，惡劣放水工況水頭差達(dá)8.98 m。

工程區(qū)屬皖北地層區(qū)，地層以第四紀(jì)沖、洪積層為主，土性主要為粉質(zhì)黏土、壤土、砂壤土、粉土及細(xì)砂等。閘址區(qū)域地層主要為第四系松散沉積，節(jié)制閘工程建基面為粉砂粉細(xì)砂地層分布。

2 節(jié)制閘防滲體系

由于節(jié)制閘設(shè)計(jì)擋水高度大，粉砂土地基滲透性較強(qiáng)，采用垂直截滲和水平鋪蓋相結(jié)合的布置形式。閘基水平防滲主要由閘室底板、上鋼筋混凝土鋪蓋、下游消力池等組成，見圖1。截滲墻布置于底板上游齒墻和兩岸案墻及翼墻下，其中底板上游截滲墻兩端伸出岸墻底板以外5 m形成刺墻，沿著岸墻及翼墻底部設(shè)置的截滲墻下游端順?biāo)飨蛏烊牒ＢL(zhǎng)10 m。截滲墻設(shè)計(jì)厚度0.6 m，底部深入重粉質(zhì)壤土1.0 m以上。施工時(shí)對(duì)節(jié)制閘上游鋪蓋、閘室底板、消力池上段、上下游翼墻及空箱岸墻底部進(jìn)行了水泥土換填。

圖1 渦河蒙城樞紐節(jié)制閘縱剖圖 (單位：mm)

3 滲流有限元模型

3.1 幾何模型

三維滲流區(qū)域建模范圍為：順?biāo)飨蜷L(zhǎng)800 m，上游邊界距節(jié)制閘閘室軸線250 m，下游邊界距節(jié)制閘閘室軸線550 m；垂直水流向長(zhǎng)600 m，左岸邊界(面向下游)距船閘閘室中心線140 m，右岸邊界距節(jié)制閘閘室中心線210 m；底部邊界距閘室底板頂100 m。整體幾何模型如圖2所示，節(jié)制閘防滲體系見圖3—圖4。

圖2 三維滲流計(jì)算幾何模型

圖3 節(jié)制閘防滲體系三維視圖

圖4 節(jié)制閘防滲體系側(cè)視圖

因計(jì)算時(shí)不需考慮滲流與應(yīng)力場(chǎng)的耦合，網(wǎng)格劃分選擇滲流/應(yīng)力耦合的C3D8P單元。位移邊界條件為：所有單元x、y、z三個(gè)方向上的自由度約束。水力邊界條件為：將模型的臨空面設(shè)為不透水邊界，上游河道和下游河道分別根據(jù)水位條件施加孔隙水壓力邊界。

為便于查看滲透水壓、滲流流速等規(guī)律性，選取節(jié)制閘閘室中心線截面S-S截面進(jìn)行結(jié)果查看分析，見圖5。

圖5 三維剖面位置圖

3.2 計(jì)算工況及參數(shù)

選取節(jié)制閘規(guī)劃水位組合中水頭差較大的惡劣放水水位組合(上游水位25.23 m，下游水位16.34 m，水頭差8.98 m)，確定有無(wú)防滲墻、有無(wú)水泥土換填作為滲流計(jì)算工況，并考慮水泥土不同換填厚度，共計(jì)7種工況，見表1。參照地勘報(bào)告選取各土層計(jì)算參數(shù)見表2。水泥土滲透系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取為1×10-7cm/s。

表1 節(jié)制閘三維滲流計(jì)算工況

表2 節(jié)制閘三維滲流計(jì)算土層參數(shù)

4 閘基滲流場(chǎng)特性分析

(1) 等水壓線及滲流流速分布。分別給閘基數(shù)值模型上、下游施加惡劣放水邊界條件，經(jīng)多次迭代計(jì)算，獲得閘基滲流場(chǎng)各特征參數(shù)值及分布圖，見圖6—圖11(限于篇幅，只給出工況1、工況4、工況6三種工況孔隙水壓力分布等值線圖及滲流流速分布圖)。

圖6 工況1(無(wú)防滲墻無(wú)水泥土)等水頭線分布云圖(單位：Pa)

圖7 工況1(無(wú)防滲墻無(wú)水泥土)流速分布矢量圖(單位：m/s)

圖8 工況4(有防滲墻水泥土1.0 m)等水頭線分布云圖(單位：Pa)

圖9 工況4(有防滲墻水泥土1.0 m)流速分布矢量圖(單位：m/s)

圖10 工況6(有防滲墻水泥土2.0 m)等水頭線分布云圖(單位：Pa)

圖11 工況6(有防滲墻水泥土2.0 m)流速分布矢量圖(單位：m/s)

由圖6、圖8、圖10可以看出，在水位差作用下發(fā)生由上游至下游的滲流，引起滲流場(chǎng)內(nèi)孔隙水壓力的變化；滲流場(chǎng)內(nèi)各縱剖面上，孔隙水壓力隨厚度增大而增大，同一高程上，孔隙水壓力分布呈上游至下游逐漸降低，在防滲墻區(qū)域形成明顯錯(cuò)臺(tái)；由于各工況水位組合一致，上下游孔隙水壓力之差未變。

圖7、圖9、圖10為滲流流速分布圖，可直觀反映土中水的滲流軌跡。可以看出，滲流在粉砂層具有較大流速，未設(shè)置防滲墻和水泥土換填時(shí)，滲流在水頭差作用下沿著閘基底部由上游流至下游，并在消力池后部排水孔區(qū)域逸出。設(shè)置防滲墻和水泥土換填后，滲流改沿水泥土換填底部流動(dòng)，防滲墻附近流速方向具有繞向墻下部方向的趨勢(shì)。隨著水泥土換填厚度增加，消力池底部粉砂層滲流流速逐漸增大。分析認(rèn)為，這是由于消力池下粉細(xì)砂層約3 m厚，粉細(xì)砂層下層相對(duì)不透水，水泥土換填后余下粉砂層厚度減小，使通過(guò)此處的滲流流速增大。

(2) 滲流比降。計(jì)算所得各工況滲流比降見表3所示。圖12、圖13分別為出口段比降和水平段比降與水泥土換填厚度的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯罎B墻的設(shè)置，可以顯著降低節(jié)制閘水平段和出口段滲透比降。隨著水泥土換填厚度增大，出口坡降逐漸減小，但同時(shí)水平坡降增加，當(dāng)換填厚度為2.0 m時(shí)，水平比降接近允許值。換填厚度從1.5 m增加到2.0 m，出口比降降低了0.003，但水平比降升高了0.008。換填厚度超過(guò)2.0 m后，水平比降增速明顯增大。同時(shí)，換填厚度越大，所需工程費(fèi)用越高。因此，綜合截滲效果和經(jīng)濟(jì)性，建議將水泥土換填厚度控制在0.5 m～1.5 m范圍內(nèi)。

表3 蒙城節(jié)制閘三維滲流計(jì)算結(jié)果

圖12 出口比降隨水泥土換填厚度變化曲線

圖13 水平比降隨水泥土換填厚度變化曲線

5 結(jié) 論

通過(guò)三維有限元滲流分析方法，對(duì)比分析了渦河移址新建蒙城樞紐工程節(jié)制閘閘基水泥土換填不同厚度的效果，從截滲效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，提出水泥土的換填深度建議范圍為0.5 m～1.5 m。