三河閘閘基滲流規(guī)律的探索

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簡(jiǎn)介： 江蘇省洪澤縣三河閘是全國(guó)第二大閘，其水力要素的確定有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)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(shè)有測(cè)壓管，以掌握其滲透的規(guī)律。
關(guān)鍵字：三河閘 閘基 滲流規(guī)律

　　江蘇省洪澤縣三河閘是全國(guó)第二大閘，其水力要素的確定有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)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(shè)有測(cè)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(yáng)壓力分布）情況，三河閘設(shè)有測(cè)壓管５組。然而從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，實(shí)測(cè)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(rèn)為很值得深思。以滲透理論來(lái)看，測(cè)壓管水位最高不應(yīng)高于上游水位，最低不能低于下游水位，從上到下應(yīng)遞減且呈直線分布，在水閘穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)的也是這一理論，這樣，建筑物實(shí)際揚(yáng)壓力不合理論的異常現(xiàn)象是否有失穩(wěn)的威脅。

　　一、三河閘測(cè)壓管異?，F(xiàn)象

　　１．閘門開啟后，而且開高較大，上、下游水位接近或相平時(shí)，測(cè)壓管水位高于上游水位，最高達(dá)１ｍ之多。

　?。玻?dāng)閘門關(guān)閉，上、下游水位差增大時(shí)，管內(nèi)實(shí)測(cè)水位一般均小于計(jì)算水位。

　?。常緶y(cè)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(cè)壓管異?，F(xiàn)象分析

　?。保娱l地基土質(zhì)、閘身及測(cè)壓管結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)壓管實(shí)測(cè)值的影響分析

　?。ǎ保┤娱l地基土質(zhì)各處大致相同，部分含有砂礓之黏性黃崗?fù)?，透水性較差，標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為，在黏性土地基上埋設(shè)的測(cè)壓管本身就存在著弊端，它不可能如實(shí)反映地基的壓力。從對(duì)１９５７年、１９８１年兩次進(jìn)行的變水頭注水試驗(yàn)來(lái)看，１９８１年的退水曲線較為平緩，１９５７年測(cè)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(shí)間，地基趨于高度密實(shí)，這里沒排除濾層淤積不靈敏所致因素。１９８１年還進(jìn)行了測(cè)壓管常水頭的注水試驗(yàn)。各管注水量不同，相應(yīng)計(jì)算出的滲透系數(shù)也有所不同，相差大的與土工試驗(yàn)的數(shù)據(jù)相差也很大。相差的原因初步分析認(rèn)為是由于測(cè)壓管淤塞，個(gè)別管管身銹蝕漏水所致。

　?。ǎ玻挠^測(cè)資料反映這樣一個(gè)問題，每組測(cè)壓管開閘前水位基本按照直線變化。但當(dāng)一開閘各組測(cè)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(rèn)為這是合理的。經(jīng)竣工后較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，閘下地基基本密實(shí)，沉陷量主要決定于氣溫和荷載。當(dāng)月份接近，氣溫大致相同時(shí)，沉陷與荷載應(yīng)有線性關(guān)系，由于閘底板上游端與鋼筋混凝土護(hù)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(dāng)上游水位大致相同而閘下流量增加或減少時(shí)，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(shí)針轉(zhuǎn)向的力矩。例如：當(dāng)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(shí)，每塊底板相應(yīng)受順時(shí)針轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)黏性較大，在底板上、下游末端又設(shè)有齒墻，限制了承壓水的外排。結(jié)果其大部作用于底板上埋設(shè)的測(cè)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(cè)壓管較上游增幅大。這時(shí)測(cè)壓管已不是理論的直線變化了。

　　（３）測(cè)壓管水位還與測(cè)壓管結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。１９８１年在常水頭和變水頭試驗(yàn)時(shí)，退水曲線與１９５７年退水曲線來(lái)比較，退水較緩慢。說明地基趨向密實(shí)。但也有幾根測(cè)壓管變化異常，退水曲線較陡，還有的長(zhǎng)期退不下去。通過再次對(duì)部分管子進(jìn)行壓力水沖洗，部分測(cè)壓管得到修復(fù)。

　?。玻渌蛩貙?duì)三河閘測(cè)壓管水位的影響分析

　?。ǎ保挠^測(cè)資料可以看出，在上游水位相差不太大時(shí)，隨閘下泄流量的變化，底板上各沉陷標(biāo)點(diǎn)高程也發(fā)生變化，兩者大體有線性關(guān)系，下游標(biāo)點(diǎn)高程變化較之上游大?？傮w來(lái)看，測(cè)壓管水位變值隨沉陷標(biāo)點(diǎn)高程變值的平均值的增加或減少而增減，但很難有線性關(guān)系。同時(shí)，測(cè)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(guān)系；在夏季上游水位及閘下游流量發(fā)生變化時(shí)，底板各測(cè)壓管水位的變化是有差異的。

　?。ǎ玻难雌跍y(cè)壓管水位過程線中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上游水位逐漸降低而測(cè)壓管水位卻還在逐漸升高時(shí)，雖然測(cè)壓管水位與上游水位有滯后關(guān)系，但它與上游水位增減應(yīng)是相應(yīng)的。這種現(xiàn)象是少有的。測(cè)壓管水位在冬季有時(shí)低于計(jì)算水位，甚至有的低于下游水位，可見氣溫對(duì)測(cè)壓管水位是有影響的。即對(duì)滲透有影響，一年中不同時(shí)期地基土壤結(jié)構(gòu)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(dāng)下游流量有一增值時(shí)，各測(cè)壓管水位相應(yīng)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。

　　（３）閘身沉陷是隨下泄流量增加（或減少）而下沉（或上增），觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。這個(gè)現(xiàn)象引起了專家們的爭(zhēng)議，一種認(rèn)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(yīng)當(dāng)是回彈，即閘身沉陷應(yīng)當(dāng)是隨下泄流量的增大而上升。另一種認(rèn)為在閘門關(guān)閉時(shí)，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(wú)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(jié)果。三河閘測(cè)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(duì)上述情況作了探討。蘇聯(lián)專家龍仁也研究過，他的結(jié)論是由于下泄大流量時(shí)，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(cè)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(cè)壓管水位有時(shí)超出上游水位數(shù)米之多。也有人認(rèn)為是由于地下水引起的。還有一種看法認(rèn)為：兩岸空箱岸墻，當(dāng)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(zhǎng)達(dá)８００ｍ，中間的測(cè)壓管不會(huì)受影響。三河閘測(cè)壓管水位異常情況，長(zhǎng)期以來(lái)一直在進(jìn)行探討研究，對(duì)于上述幾種看法也一直進(jìn)行著研究、驗(yàn)證。１９８２年汛期，測(cè)壓管水位觀測(cè)工作和沉陷觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行，在泄放５０００ｍ３／ｓ流量、３０００ｍ３／ｓ流量、１０００ｍ３／ｓ流量，關(guān)閘后都進(jìn)行了沉陷觀測(cè)工作，從觀測(cè)資料中來(lái)看，閘基沉陷量是隨閘下泄流量的增減而沉升。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)問題即下游標(biāo)點(diǎn)較上游沉陷大，從測(cè)壓管觀測(cè)資料也可看出，下游４號(hào)管水位較上游１號(hào)管數(shù)值大，應(yīng)是孔隙水壓力與滲透壓力共同作用的結(jié)果。從１９６３年７月１３日、９月２８日測(cè)壓管水位連線來(lái)看，測(cè)壓管水位從上游到下游也逐漸升高。專家們對(duì)三河閘測(cè)壓管水位異常情況提出了幾種看法：一是在閘基可能有強(qiáng)透水層，透水層有一水源供給，夏季高，冬季低，從而造成了測(cè)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(shí)受到振動(dòng)，引起附加地基上壓力增大，使測(cè)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(cè)壓管水位變化。四是也可能由于反濾層設(shè)計(jì)不合理，反濾層與下游出溢處齒坎齊平，趨向無(wú)窮大，即該點(diǎn)滲透流速無(wú)窮大，造成該處產(chǎn)生負(fù)壓，使測(cè)壓管水位低于下游水位。

　?。常Y(jié)語(yǔ)

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

　　根據(jù)目前的分析結(jié)果和三河閘的特性，以后要做的工作應(yīng)是：

　　一是對(duì)部分測(cè)壓管進(jìn)行處理，排除淤塞問題。二是在兩岸各增埋一排或兩排測(cè)壓管，以掌握兩岸繞流滲透的情況。三是在上游護(hù)坦入滲端、下游濾水器上補(bǔ)設(shè)測(cè)壓管和滲壓計(jì)，同時(shí)在中間加三四根測(cè)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(duì)閘基揚(yáng)壓力的影響。四是在一組測(cè)壓管中裝上自記水位計(jì)，以便及時(shí)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(jìn)行實(shí)地鉆探，排查閘基是否有強(qiáng)透水層。六是對(duì)資料進(jìn)行分類整理。七是搜集全國(guó)各地水工建筑物滲透觀測(cè)資料，掌握一些水工建筑物工作情況。

　　（作者單位：江蘇省三河閘管理處）