三河閘閘基滲流規(guī)律的探索

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簡介： 江蘇省洪澤縣三河閘是全國第二大閘，其水力要素的確定有一定的指導意義和應用價值。滲透是影響水工建筑物穩(wěn)定的重要因素，因此在水工建筑物都設有測壓管，以掌握其滲透的規(guī)律。
關鍵字：三河閘 閘基 滲流規(guī)律

　　江蘇省洪澤縣三河閘是全國第二大閘，其水力要素的確定有一定的指導意義和應用價值。滲透是影響水工建筑物穩(wěn)定的重要因素，因此在水工建筑物都設有測壓管，以掌握其滲透的規(guī)律。為了掌握三河閘閘基滲流（閘基揚壓力分布）情況，三河閘設有測壓管５組。然而從實測數(shù)據(jù)來看，實測值與理論值相差較大。這種異常現(xiàn)象的規(guī)律目前尚未找到，但我們認為很值得深思。以滲透理論來看，測壓管水位最高不應高于上游水位，最低不能低于下游水位，從上到下應遞減且呈直線分布，在水閘穩(wěn)定設計時依據(jù)的也是這一理論，這樣，建筑物實際揚壓力不合理論的異?，F(xiàn)象是否有失穩(wěn)的威脅。

　　一、三河閘測壓管異?，F(xiàn)象

　?。保?label class="lb" onclick="g('閘門');">閘門開啟后，而且開高較大，上、下游水位接近或相平時，測壓管水位高于上游水位，最高達１ｍ之多。

　?。玻?label class="lb" onclick="g('閘門');">閘門關閉，上、下游水位差增大時，管內(nèi)實測水位一般均小于計算水位。

　　３．冬季測壓管水位低于下游水位（該閘下游水位通常是不變的）。

　　二、三河閘測壓管異?，F(xiàn)象分析

　　１．三河閘地基土質、閘身及測壓管結構對測壓管實測值的影響分析

　?。ǎ保┤娱l地基土質各處大致相同，部分含有砂礓之黏性黃崗土，透水性較差，標準貫入擊數(shù)２０～２５擊以上，承載能力尚好，每平方米可承受４０ｔ的荷載。天然含水量２４．５％，流限４３．６％。天然容量２．０ｇ／ｃｍ３，塑限２４．２％，天然孔隙比０．７１，塑性指數(shù)１９．４，凝聚力０．８２ｋｇ／ｃｍ２，內(nèi)摩擦角２３°。我們認為，在黏性土地基上埋設的測壓管本身就存在著弊端，它不可能如實反映地基的壓力。從對１９５７年、１９８１年兩次進行的變水頭注水試驗來看，１９８１年的退水曲線較為平緩，１９５７年測壓管從注水到穩(wěn)定一般為３天，而１９８１年從注水到穩(wěn)定需要９天時間，地基趨于高度密實，這里沒排除濾層淤積不靈敏所致因素。１９８１年還進行了測壓管常水頭的注水試驗。各管注水量不同，相應計算出的滲透系數(shù)也有所不同，相差大的與土工試驗的數(shù)據(jù)相差也很大。相差的原因初步分析認為是由于測壓管淤塞，個別管管身銹蝕漏水所致。

　?。ǎ玻挠^測資料反映這樣一個問題，每組測壓管開閘前水位基本按照直線變化。但當一開閘各組測壓管水位變化就不再是直線變化。初步分析，是由于底板荷載增大而使地基孔隙水壓上升所致。我們認為這是合理的。經(jīng)竣工后較長時間的運行，閘下地基基本密實，沉陷量主要決定于氣溫和荷載。當月份接近，氣溫大致相同時，沉陷與荷載應有線性關系，由于閘底板上游端與鋼筋混凝土護坦相連，遭受某種約束，下端則自由；擋水鋼閘門偏于上游且為弧形，當上游水位大致相同而閘下流量增加或減少時，垂直荷載的增加（或減少）和水平荷載的減少（或增加），形成附加的總的順（或逆）時針轉向的力矩。例如：當上游水位為１２．５０ｍ，流量增加使閘后底板上水位由８．００ｍ升至９．００ｍ或１２．００ｍ時，每塊底板相應受順時針轉向的９８０ｔ·ｍ或４３００ｔ·ｍ附加力矩，故新增沉陷是不均勻的，因而底板下游端沉陷量的增大（或減少）轉之上游端沉陷的增大（或減少）為多，底板下沉使地基受壓，其土壤中孔隙減少，含水受壓外排。由于地基土質黏性較大，在底板上、下游末端又設有齒墻，限制了承壓水的外排。結果其大部作用于底板上埋設的測壓管，其水位自然抬高，由于下游沉陷量較上游端大，故下游測壓管較上游增幅大。這時測壓管已不是理論的直線變化了。

　　（３）測壓管水位還與測壓管結構形式等因素有關。１９８１年在常水頭和變水頭試驗時，退水曲線與１９５７年退水曲線來比較，退水較緩慢。說明地基趨向密實。但也有幾根測壓管變化異常，退水曲線較陡，還有的長期退不下去。通過再次對部分管子進行壓力水沖洗，部分測壓管得到修復。

　?。玻渌蛩貙θ娱l測壓管水位的影響分析

　?。ǎ保挠^測資料可以看出，在上游水位相差不太大時，隨閘下泄流量的變化，底板上各沉陷標點高程也發(fā)生變化，兩者大體有線性關系，下游標點高程變化較之上游大?？傮w來看，測壓管水位變值隨沉陷標點高程變值的平均值的增加或減少而增減，但很難有線性關系。同時，測壓管水位變值也隨閘下泄流量變值的增加或減少而增加或減少，一般不存在線性關系；在夏季上游水位及閘下游流量發(fā)生變化時，底板各測壓管水位的變化是有差異的。

　?。ǎ玻难雌跍y壓管水位過程線中發(fā)現(xiàn)，當上游水位逐漸降低而測壓管水位卻還在逐漸升高時，雖然測壓管水位與上游水位有滯后關系，但它與上游水位增減應是相應的。這種現(xiàn)象是少有的。測壓管水位在冬季有時低于計算水位，甚至有的低于下游水位，可見氣溫對測壓管水位是有影響的。即對滲透有影響，一年中不同時期地基土壤結構特性可能是不同的，在夏季各壓管間水體易于相通，故在不同的上游水位及下泄流量的條件下，當下游流量有一增值時，各測壓管水位相應增加，而冬季則即使在相同的條件下，各管中水體也不易相通。

　?。ǎ常╅l身沉陷是隨下泄流量增加（或減少）而下沉（或上增），觀測結果證實了這一點。這個現(xiàn)象引起了專家們的爭議，一種認為下泄流量增大即意味著下游水位升高，下游水位升高，加大了底板荷載，但底板浮托力也在加大，而理論上應當是回彈，即閘身沉陷應當是隨下泄流量的增大而上升。另一種認為在閘門關閉時，由于黏性土，底板浮托力還沒形成，而閘下游水位在１０ｈ左右便回升穩(wěn)定，在短期無疑是可能的，而且閘門全開下游水位升高，與上游水位接近。水位差趨向于零。這就意味著閘基一線上滲透壓力趨于零。

　?。ǎ矗＜覀兗叭娱l管理人員的分析結果。三河閘測壓管異常情況引起不少科研單位、高等院校專家教授的重視，對上述情況作了探討。蘇聯(lián)專家龍仁也研究過，他的結論是由于下泄大流量時，底板因荷載增大而下沉，引起底板下地基中孔隙水壓力上升，從而使測壓管水位抬高所致，蘇聯(lián)在黏性土基上的一些大壩也存在類似現(xiàn)象，測壓管水位有時超出上游水位數(shù)米之多。也有人認為是由于地下水引起的。還有一種看法認為：兩岸空箱岸墻，當上游水位升高，岸墻荷載增大，由于岸墻超荷載而引起的。但三河閘閘寬長達８００ｍ，中間的測壓管不會受影響。三河閘測壓管水位異常情況，長期以來一直在進行探討研究，對于上述幾種看法也一直進行著研究、驗證。１９８２年汛期，測壓管水位觀測工作和沉陷觀測同時進行，在泄放５０００ｍ３／ｓ流量、３０００ｍ３／ｓ流量、１０００ｍ３／ｓ流量，關閘后都進行了沉陷觀測工作，從觀測資料中來看，閘基沉陷量是隨閘下泄流量的增減而沉升。同時也發(fā)現(xiàn)這樣一個問題即下游標點較上游沉陷大，從測壓管觀測資料也可看出，下游４號管水位較上游１號管數(shù)值大，應是孔隙水壓力與滲透壓力共同作用的結果。從１９６３年７月１３日、９月２８日測壓管水位連線來看，測壓管水位從上游到下游也逐漸升高。專家們對三河閘測壓管水位異常情況提出了幾種看法：一是在閘基可能有強透水層，透水層有一水源供給，夏季高，冬季低，從而造成了測壓管水位夏季高于上游水位，冬季低于下游水位。二是閘身在泄放流量時受到振動，引起附加地基上壓力增大，使測壓管水位上升。三是溫度的影響使混凝土在縱向、橫向發(fā)生變形，造成部分底板與地基接合面的開合，從而引起測壓管水位變化。四是也可能由于反濾層設計不合理，反濾層與下游出溢處齒坎齊平，趨向無窮大，即該點滲透流速無窮大，造成該處產(chǎn)生負壓，使測壓管水位低于下游水位。

　?。常Y語

　　目前研究結果表明：一是水閘閘基的揚壓力不一定低于閘上水頭，二是水閘閘基的揚壓力不一定就高于閘后水頭，三是水閘閘基自上而下的揚壓力不一定是以直線從大到小分布的，閘基滲流是一個極其復雜的問題，探索出它的規(guī)律，還需要做大量的工作。重點是加強建筑物的原型觀測，系統(tǒng)地整理觀測資料，驗證專家們的分析結果。三河閘測壓管水位異常情況已經(jīng)表明，目前滲透計算理論和防滲設計與已建水工建筑物實測數(shù)據(jù)相矛盾，探討閘基滲流對驗證滲透理論、防滲設計、工程安全都有積極的意義。

　　根據(jù)目前的分析結果和三河閘的特性，以后要做的工作應是：

　　一是對部分測壓管進行處理，排除淤塞問題。二是在兩岸各增埋一排或兩排測壓管，以掌握兩岸繞流滲透的情況。三是在上游護坦入滲端、下游濾水器上補設測壓管和滲壓計，同時在中間加三四根測壓管，以掌握閘基滲透沿地下輪廓線的變化情況和下游水位對閘基揚壓力的影響。四是在一組測壓管中裝上自記水位計，以便及時掌握閘基滲透情況、滯后情況和溫度影響情況。五是在兩岸進行實地鉆探，排查閘基是否有強透水層。六是對資料進行分類整理。七是搜集全國各地水工建筑物滲透觀測資料，掌握一些水工建筑物工作情況。

　?。ㄗ髡邌挝唬航K省三河閘管理處）