杨玉庆 王绪 赵啟旸

摘 要：引黄涵闸在施工和运行过程中，渗透破坏是涵闸出现结构问题的主要原因。通过对黑岗口引黄闸布设渗透监测设施，并对监测情况进行统计、分析、研究，以此检验、判定涵闸除险加固的效果和涵闸正常运行的安全状况，进一步用于涵闸的管理决策和科学预报，并引申归纳出涵闸渗透破坏的影响因素，以及设计时应采取的相应措施。

关键词：引黄涵闸;渗透监测;渗透分析;防渗措施;黑岗口

中图分类号：TV547.5;TV882.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.026

Abstract：During the construction and operation of the Yellow River diversion culvert gates， seepage failure is the main cause of structural problems. In this paper， through the installation of seepage monitoring facilities in Heigangkou Yellow River diversion sluice， and the statistics， analysis and research of the monitoring situation， the working effect of danger elimination and reinforcement of the culvert and sluice and the safety condition of the normal operation of the culvert and sluice were checked and determined. It was further used for the management decision-making and scientific prediction of culvert gates and the influencing factors of the seepage failure of culvert gates were induced and corresponding measures that should be taken in the design.

Key words： Yellow River diversion sluice; seepage monitoring; seepage analysis; seepage control measures; Heigangkou

引黄涵闸在施工和运行过程中，渗透破坏是涵闸出现结构问题的主要原因[1]。有关资料显示，穿堤涵闸渗透破坏产生的原因主要有：①施工时土石结合部土方压实度不合格，渗透压力较大，在土石结合部形成滲流通道;②防渗、止水部位施工质量不满足设计要求，在渗透压力作用下产生破坏，形成渗流通道;③地基承载力不足，闸体结构产生不均匀沉降，形成裂缝，长期带病运行，混凝土钢筋锈蚀，裂缝增大，形成从闸洞内到堤身的渗漏，最终在涵闸、堤身间形成破坏;④闸体、涵洞混凝土因冻融、水力侵蚀、自身裂缝而加速结构破坏，最终仍会在河水渗透作用下，诱发堤身、涵闸的严重破坏。

引黄涵闸的渗透破坏影响着黄河下游堤防、涵闸正常功能的发挥，甚至造成大的险情，严重威胁两岸群众的生命财产安全。因此，在堤身、涵闸上布置渗流监测设备进行监测，根据渗流监测资料的分析以及与理论计算值对比，发现工程内部的异常现象，为正确评价渗流异常影响提供技术依据和险情预警预报，是确保堤身、涵闸安全工作状态的重要方法。

1 黑岗口引黄闸监测设置

1.1 工程概况

黑岗口引黄闸位于开封市北郊，黄河南岸黑岗口险工段大堤桩号77+170处，始建于1957年，为Ⅰ级水工建筑物。该闸为5孔涵洞式水闸，孔口宽1.8 m，高2.0 m;涵洞宽2.5 m，高2.0 m;设钢木平板钢门，手摇式15 t螺杆启闭机。设计流量50 m3/s，加大流量64 m3/s，设计灌溉面积4.4万hm2，兼顾开封城市生活、工业用水。

2009年黑岗口闸安全鉴定结果为三类闸。为保障水闸安全运行和闸址处堤防防洪安全，于2014年对该闸进行了除险加固。为监测黑岗口闸与大堤结合部的渗透压力分布情况，检验、判断除险加固效果，在除险加固工程设计、施工时，结合水闸实际情况，重新布设安装了渗流监测设施，以实现对闸体以及周围渗流场的在线监测。

1.2 黑岗口水闸渗流安全监测设备安设

1.2.1 黑岗口水闸渗流安全监测设备布置

黑岗口闸采用测压管、测压管渗压计监测渗透压力。沿水流方向共布设6组12个渗流安全监测点，形成东、西两个剖面，分别位于闸轮廓线两侧以外堤防上，每个监测点位设一个测压管，每个测压管内安置一支渗压计，进行实时监测。渗流安全监测点布置见图1。

1.2.2 渗流安全监测设备安装

（1）测压管安装。第一步是制作、埋设测压管并测量初始稳定水位。黑岗口闸采用的测压管由透水段、导管段两部分组成，采用Φ50 mm镀锌钢管制作。透水段（又称花管段）长1.0 m，透水段面积开孔率为30%，孔眼呈“梅花状”均匀排列，孔壁光滑无毛刺;透水段管外包裹铜丝网、土工布（规格：250 g/m2），防止土体细颗粒进入测压管而造成淤堵，管底封闭，不留沉淀管段。导管应顺直，内壁光滑无阻，如要接管，则通过管箍连接。测压管管口设管帽，管帽顶预留通气孔，测压管出口处设保护装置。

测压管采用钻孔埋设，在设计孔位用钻机开孔，孔径为100 mm，孔斜度小于1°，孔深以测压管透水段处于砂层（相对透水层）或要求的观测目标层为准。钻孔过程中严禁采用泥浆固壁，必要时可采取套管护壁。

测压管埋设前，应准确测量钻孔深度、孔内稳定水位、孔斜度、管长、孔口高程。埋设步骤：向钻孔内填50 cm厚的中粗砂，安放测压管，在花管段与钻孔壁间回填粒径为0.5～2.0 mm的标准砂（标准砂顶面高出花管开孔范围10 cm），投放膨润土球进行封堵，距孔口2～3 m时采用黏土回填，人工夯实。

测压管安装、封孔回填完成，并在地下水位稳定后，测量测压管内初始稳定水位，作为后期观测依据。黑岗口闸测压管内测定的初始稳定水位见表1、图2。

第二步是测压管灵敏性试验。测压管安装完成、投入使用前必须进行灵敏性试验，即对测压管制作、安装质量进行检验。

灵敏性试验中，注水后水位应在测压管透水段（以滤料顶面为准）以上5～10 m。进水段周围若为壤土则注水量相当于1 m测压管容积的3～5倍，若为砂粒料则为5～10倍。水位观测开始时每间隔5 min观测1次、共观测5次，然后每间隔10 min观测1次、共观测3次，再每间隔30 min观测1次、共观测2次，最后根据水头的下降速度逐渐延长时间间隔，直到水头恢复或接近初始水头时结束。一般来说，对于黏壤土，注入水位在120 h内降至原水位为灵敏度合格;对于砂壤土，24 h降至原水位为灵敏度合格;对于砂砾土，1～2 h降至原水位或注水后水位升高不到3 m为合格。对于灵敏度检验不合格的测压管，采取反复往孔内注水或抽水的方式进行洗孔，或重新钻孔埋设测压管，直至测压管灵敏度测试合格为止。

以西1（C01）测压管的注水试验数据为例（见表2），在注水后5 h，管内水位与测前水位基本一致，说明测压管灵敏度高，测压管埋设合格。

（2） 渗压计安装。渗压计精度高、滞后时间短，可实现遥测和自动化观测;可与测压管结合使用，也可直接埋入测点部位单独使用。黑岗口闸采用基康BGK4500S-700 kPa渗压计。该渗压计外径为19.05 mm，长度为133 mm，能够长期测量测压管、钻孔、堤坝中的孔隙水压力，灵敏度可达到0.025%F.S.。

为减少钻孔，降低对施工过程的干扰，保护渗压计线缆不被施工机械破坏，采用将渗压计放入测压管内的埋设方式。

渗压计安设在测压管内之后，先要得到零读数。为了使读数用于随后的数据处理，得到准确的零读数，应以确保其在测压管中稳定20～30 min，以确保其在孔内达到温度平衡。用读数仪测读零压力时的信号值，测读3次，取平均值作为零读数。

2 黑岗口闸监测数据分析

2.1 渗透变形破坏分析

2.1.1 渗透破坏的形式

黄河大堤堤身填筑土料均采用黏粒含量为5%～10%、塑性指数为7～20的黏性土，黏性土渗透破坏的形式主要有流土、接触流土、剥落、接触冲刷4种。

（1）流土：表层为黏土与其他细粒土组成的土体产生流土破坏的现象，表现为土体表面隆起、顶穿、断裂、剥落，主要发生在出逸面无盖重的情况下。

（2）接触流土：在黏性土与粗粒材料接触处，发生土体向粗粒空隙中移动的流土破坏现象。土体破坏前，渗流出逸体积略有增大，在土的表面产生裂缝，然后产生流土，呈圆锥状脱落。

（3）剥落：当渗透水流经黏性土向设有粗颗粒材料盖重一侧渗透时，未被粗颗粒材料遮盖的部位产生逐渐剥落，形成深洼。剥落深度約为粗粒土孔隙直径的一半。

（4）接触冲刷：沿相邻不同土层的层间流动产生的冲刷。

2.1.2 允许水力坡降的确定

2.2 渗压计实测水位及特征分析

2.2.1 渗压计水位观测结果

渗压计调试好后，实现了黑岗口水闸水位的监测（渗压计C01、C07靠近上游主河道，实测水位与黄河河道内水位非常接近，为方便观测，以此作为黄河河道水位）。根据2015年5月27日—9月16日渗压计实测水位绘制水位过程线（见图3

），可以看出，各测点渗压计所测水位的变化规律相似，水位变幅较小。8月5—10日、8月20—25日、9月1—6日各有一次小幅的水位升高，这可以从靠近河道的渗压计C01、C02、C07、C08数据看出此规律;其他渗压计分布在涵闸或堤身中部，渗流变化过程线较为平缓。

2.2.2 渗压计监测水位过程分析

（1）水位特征值分析。根据渗压计监测水位得到的各测点水位特征值见表5。

表5是由实测水位直接求出的特征水位，可看出，除了C03点外，其他测点的特征水位变幅都在1.1～1.7 m之间，变化幅度较小，数据稳定，这也与各测点水位过程线的变化规律相似。

（2）根据各实测水位计算渗流坡降。由各实测水位按照公式J=Δhl计算的渗流坡降见表6。

由上述计算结果分析可知，相邻两个测点无论是平均水位差，还是考虑最不利组合的最大水位差，计算渗流坡降均小于计算得出的允许水力坡降，因此可以判定该闸不会发生渗透变形破坏。

3 结 语

通过本次监测分析可以判定，目前工况下的涵闸渗透坡降是正常的，表明黑岗口引黄闸除险加固是成功的。当然，目前渗透监测期比较短，还需要长时间的监测，通过监测并统计分析监测数据，判断涵闸渗透情况是否存在异常，以便及时发出预警，采取必要措施，防止灾害发生。

从本文分析过程可以看出，涵闸渗透变形破坏与闸基底板下影响范围内的土层性质、土体的填筑碾压质量、渗透路径的长短等因素有关，在其他引黄闸设计时可据此采取如下防渗措施[3]。

（1）闸前河床采用水平黏土铺盖，增大河水向下游渗流的渗透阻力。

（2）闸室、涵闸底板基础采用粉喷桩等方式进行地基加固，提高闸基整体的抗变形能力，减少闸室、涵洞段不均匀变形引起的结构破坏，缩短渗流路径。

（3）闸室上游进水段的两侧边坡及上部平台，采用复合土工膜进行有效防护，增大水流直接发生水平渗流的渗径和阻力，迫使河水经下部土层往下游产生渗流，降低水力坡降。

（4）严格控制闸室段、涵洞段外侧土体的碾压质量，确保在混凝土和土体间不形成接触冲刷。

（5）下游出口要做好防渗反滤处理。

参考文献：

[1] 张儒生，寇相军，李献珍.穿堤涵闸渗透破坏及其防治[J].黑龙江水专学报，2000，27（2）：1-2.

[2] 钱益明.浅谈水闸的安全评价方法及其实例分析[J].中国水运，2012（6）：151-154.

[3] 管超.涵闸防渗设计探讨[J].水能经济，2018（4）：266.

【责任编辑 许立新】