水閘滲流問題的研究

■劉瑞剛 ■唐山市水務局灤河下游灌溉管理處，河北 唐山 063700

水閘是利用閘門擋水和泄水的中低水頭水工建筑物，一般修建于河道、水庫、湖泊、河道、渠系。進行水閘設計是加入滲流的計算，主要是為了計算水閘范圍內的水頭的分布、確定滲流量、滲流作用于水閘上的力、滲流速度分布及其引起的水閘結構變形。

1 滲流對水閘的影響

自二戰之后，在世界范圍內戰爭對世界各方面的影響逐漸散去，發展經濟成為世界各國的發展主題。在全球經濟快速發展的過程中，世界級的大型水壩一座座“拔地而起”，為各國經濟的發展貢獻著自己巨大的力量。于此同時，分布在世界各水域的中小型水壩更是如雨后春筍，在各水域發揮著重要作用。而在水壩之中，水閘是其中一個非常關鍵的組成部分。中國有著悠久的建造水閘的歷史，早在春秋時期就有建造水閘的歷史記載;伴隨著新中國的成立，我國水閘的建設也是日新月異，建設經驗也日漸豐富。水閘按作用可以分為:進水閘、分洪閘、擋潮閘、節制閘、沖沙閘、排水閘等等;按結構可以分為:涵洞式、開敞式和胸墻式。水閘對調節大壩水流量起著關鍵作用，而滲流對水閘對大壩結構的穩定性有著至關重要的作用。水閘存在著因滲流作用導致不能正常工作的風險，其后果將十分嚴重，直接影響水閘的擋水和泄洪。尤其是新型水閘，其技術并不完備，對于滲流方面的研究應更加關注。

2 閘基穩定性中滲流的作用

2.1 滲流對閘基影響的原因

自二戰之后，世界范圍內在各大水系建起了數萬座大壩，然而失事的大壩也不在少數，其中一些就是由大壩的部分建筑事故導致的，特別是水閘的事故對大壩的打擊尤為嚴重。水閘事故的原因主要有兩個:1、水閘不均勻沉降;2、沉降差過大。這兩個原因可直接影響水閘的正常運行，影響水閘擋水、泄洪功能。尤其是在洪汛期，上游區域水位偏高，水體對閘門正面荷載過大，水體對閘基揚壓力過大，使閘門超過最大負荷，發生事故。在這一過程中就存在滲流作用對閘門的影響:因為滲流的滲透力作用方向與重力反向，使得顆粒之間相互壓力下降，從而產生對閘門的揚壓力，導致水閘結構不穩定，從而造成水閘事故。閘基滲流的主要危害有:1、由于沿水閘的滲流對水閘產生揚壓力，減輕了水閘有效質量，導致水閘抗滑穩定的下降，沿兩岸方向的滲流對翼墻產生水平推力;2、滲透力或許導致土的滲透變形;3、滲漏有可能導致大量的水量流失;4、滲流作用可能加快溶解壩體中可溶解的物質。

2.2 閘基不均勻沉降中滲流的作用

大壩的地基浸水，一部分原因就是水的滲流作用。滲流作用可導致大壩地基產生濕陷，尤其是雨季隨著泄洪量的增大，上游水位增高，隨之產生的滲流場將會對大壩地基產生不利影響。滲流作用產生的揚壓力減輕了水閘有效質量，導致水閘抗滑穩定的下降。于此同時，滲流作用產生的揚壓力也改變了壩體的應力分布。因為水閘的閘基、水閘上游和下游地基使用的建筑材料有差異，建筑材料的差異使得其形變模量及彈性模量等物理屬性相應存在不同，所以會產生沉降差;即使相同建筑結構，不同部位產生的滲流量不同，也會使大壩不均勻沉降。滲流計算的目的:1、滲透穩定分析;2、壩坡穩定計算;3、估算滲漏損失。

采取以下措施可盡量避免大壩不均勻沉降:1、閘室結構在設計中避免過重，以降低對閘底的壓力;2、優先施工大重量建筑，大重量建筑施工完畢后，等其自然沉降一段時間，再施工小重量建筑;3、合理設置閘室位置，盡量使臨近結構重量一致。

2.3 閘室的抗滑穩定性

閘基滑移的類型有四種:1、淺層滑動;2、深層滑動;3 表層滑動;4、混合型滑動。閘基的滑動條件是閘基有連續軟弱面，下游有臨空面。要想避免閘室滑移過度，對大壩產生有害影響，閘基必須具有一定量的抗滑安全系數。

抗滑穩定性是水閘的一個重要安全指標，這一安全指標需盡量提升，使水閘整體的穩定性也可相應提高。由此，在水閘的設計過程中，將閘門的位置設計在低水位一邊，在水閘結構尺寸方面也要加大尺寸，水閘底板向高水位方向加長，閘室底板的齒墻深度也要增大。于此同時，也要增大鋪蓋長度，并且將排水設施盡量靠近水閘底板。為進一步提高閘室的抗滑穩定性，要設置阻滑板。由于閘室的抗滑穩定系數小于1.0，設置的阻滑板必須達到上裂要求。特別是在平原地域，平原地區多沙土或黏土，水閘的建設更需要加強抗滑穩定性。

3 滲流的計算

計算滲流，可以計算出水閘的滲透壓力、水閘的滲透坡降、水閘的滲流量以及滲流速度。

閘基滲流是滲流的一種，屬于有壓滲流。在計算閘基滲流的過程中，通常將其看做成平面問題，于此同時還需假設建筑地基均勻，地基各方位物理性質一致，滲水看作不可壓縮，并且適用達西定律。在這種理想狀態下，計算閘基滲流可以用拉普拉斯方程。

在理想狀態下，我們可以通過流體力學來計算滲流。但是在實際的工程設計計算時，由于現實條件復雜，無法精確地得到滲流的理論值，所以在實際的工程設計時，一般會采用易于操作并且接近理論值的方法:改進阻力系數法、流網法、直線展開法、數值計算法以及電擬試驗法等等。其中當水壩工程中遇到地下情況相對簡單，地基也相對簡單的非大型工程，我們一般采用直線展開法;而水壩工程中底下輪廓復雜，并且地基繁瑣的工程，我們一般采用電擬試驗法或者數值計算法。

4 結語

在大壩水閘的設計中，加入滲流理論，可以得出水閘的滲透穩定分析、壩坡穩定計算、估算滲漏損失等具體參數。在設計中以此為依據，可以有效地制定防滲方案，避免由滲流導致的閘基不均勻沉降以及閘室的抗滑穩定性偏低等問題，在減少工程造價的同時，有效地提高水閘的使用壽命，降低水閘的事故率。

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