低水頭擋水閘下游排水孔失效對閘基滲流場影響分析

季洪濤

(新賓縣水務(wù)局， 遼寧 撫順　113200)

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低水頭擋水閘下游排水孔失效對閘基滲流場影響分析

季洪濤

(新賓縣水務(wù)局， 遼寧 撫順113200)

本文以低水頭擋水閘為研究對象，結(jié)合工程實例針對低水頭擋水閘下游護坦中不同部位的排水孔出現(xiàn)失效時，對閘基的滲透坡降、總水頭以及滲流量等因素進行系統(tǒng)的統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：水閘下游排水孔失效位置距離閘室越遠，閘底板的揚壓力值越大，滲流量和對應(yīng)出口處的滲透坡降值越小，對閘基的滲流穩(wěn)定性越不利。因此在設(shè)計及運行的過程中很有必要控制下游護坦中排水孔的失效位置和數(shù)量，這樣才能保證工程的穩(wěn)定和安全。

水閘； 排水孔； 失效位置； 滲流場； 影響

1　引　言

水閘作為重要的水工建筑物在各類水利工程中發(fā)揮著不可替代的作用。據(jù)統(tǒng)計，目前全國有各類大中型水閘4000多座，其中約有一半以上的水閘存在各種各樣的病險狀況[1]。水閘的病險狀況主要包括閘基滲流不穩(wěn)定、閘室不穩(wěn)定、閘室混凝土老化和損壞嚴重以及水閘裂縫等問題，其中閘室穩(wěn)定問題作為病險水閘的普遍問題，不僅影響了工程的正常運用，還給人民的生命財產(chǎn)安全帶來了隱患。

水閘上游的混凝土鋪蓋及閘底板與下游消力池共同構(gòu)成了一個水閘的防滲體系，用以控制水閘的滲流量和維持閘基的滲流穩(wěn)定性[2-3]。下游消力池底板上的排水孔主要用于降低閘后水頭，以此達到降低閘底板揚壓力，增加閘室整體穩(wěn)定性的目的。然而，在水閘常年運行過程中，閘室后消力池底板上的排水孔由于上游淤泥、塵沙、水藻以及其他雜物的淤積，難免會發(fā)生堵塞進而導(dǎo)致排水孔失效[3]。因此，很有必要針對水閘下游消力池底板中排水孔失效的狀況進行研究分析，以探討不同排水孔失效情況對閘基滲流場的影響。

2　閘基滲流場數(shù)值計算

2.1工程概況及地質(zhì)情況

本文所研究的工程為坐落于海河流域山東省境內(nèi)的徒駭河節(jié)制閘，該閘采用傳統(tǒng)開敞式鋼筋混凝土平板鋼閘門擋水結(jié)構(gòu)，共9孔，其單孔寬度為8m，鋼筋混凝土閘門尺寸為8m×7m，閘室總長100m。閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順水流向長度16m，閘底板頂高程0.0m，閘墩頂高程8.0m，如圖1所示。閘室上游混凝土鋪蓋長度為18m，閘室下游設(shè)鋼筋混凝土護坦長度為21m，采用消力坎消能防沖。閘基下主要土體材料依次為黏土、壤土和黏土。

圖1　低水頭節(jié)制擋水閘現(xiàn)狀

2.2計算模型及計算工況

根據(jù)該水閘工程的實際結(jié)構(gòu)圖及閘基地質(zhì)情況，建立了水閘滲流計算模型如圖2所示，為了簡化計算

圖2　水閘滲流計算模型

該模型僅顯示了水閘上游鋪蓋、擋水閘門、水閘底板、下游消力池和閘基部分。整個模型采用2Dsolid單元劃分網(wǎng)格，閘基部分從上往下地層巖性依次為黏土層、壤土層和黏土層，各層土體滲透系數(shù)如下頁表所列。計算過程中，在水閘上部及上游閘基表面定義上游水頭為5.5m，在水閘下游消力池有排水孔的部位開始定義下游水位為0m。

為了詳細對比分析水閘上游鋪蓋裂縫對閘基滲流場的影響，計算時將總長為21m的鋪蓋劃分為了六段，如圖3所示，每段長度為3m，其編號依次為①～⑥。其中，每一段消力池均預(yù)先設(shè)置好一個長度為0.5m的排水孔，計算過程中，采用控制變量的方法，讓①～⑥號排水孔依次失效，探究下游消力池中不同部位排水孔失效對閘基滲流場的影響。

圖3　鋪蓋裂縫分布

地層巖性第一層黏土第二層壤土第三層黏土滲透系數(shù)4.6E-6m/s6.5E-6m/s2.6E-6m/s

3　計算結(jié)果討論分析

3.1鋪蓋無裂縫情況分析

通過對下游護坦排水孔均有效的情況進行數(shù)值計算，可以得到該小型擋水閘在正常擋水位為5.5m情況下，閘基的等勢線分布如圖4所示。由圖中數(shù)據(jù)不難看出，總水頭數(shù)值從滲流入口處的5.5m均勻降低到滲流出口處的0.0m，整個滲流經(jīng)過上游鋪蓋之后水頭降低至2.5m，經(jīng)過閘室底板部位之后水頭降低至0.5m，最后通過下游排水孔段之后降低至下游水位(0.0m)。由此可見，等勢線分布狀況相對比較均勻，這是由于閘基地層分布相對均勻、材料參數(shù)變換不大。對計算結(jié)果進行處理后，可以得到正常擋水狀況下閘基的單寬滲流量為9.91e-6m3/(s·m)，閘基滲流量相對較小。

圖4　鋪蓋無裂縫情況下閘基等勢線

借助軟件處理分析，可以得到下游護坦止水有效情況下，該小型水閘正常擋水時閘基內(nèi)部滲透坡降分布云圖如圖5所示。從圖中可以看出，在上游鋪蓋齒墻的底部、鋪蓋與閘底板的連接處以及閘底板下游的齒墻處滲透坡降值相對較大，滲透坡降等值線分布也相對比較集中，這是由于這三個部位分別處于滲流入口、滲流突變以及滲流出口處。其中滲流入口處滲透坡降的最大值為0.300，滲流突變部位的滲透坡降最大值為0.176，下游滲流出口處滲透坡降最大值為0.395，三個部位的滲透坡降值均小于所在土層的允許滲透坡降值，閘基的滲透穩(wěn)定性相對較好。

圖5　鋪蓋無裂縫情況下閘基滲透坡降等值線

3.2滲透坡降分析

滲透坡降的大小是評價水閘滲透穩(wěn)定性的重要因素，為了研究分析閘基滲流過程中滲透坡降值伴隨下游排水孔失效位置發(fā)生變化的規(guī)律，將下游排水孔失效的情況以①～⑥號編號排序，并對閘底板及護坦中排水孔沿線位置的滲透坡降值進行了統(tǒng)計分析，得到不同工況下閘基滲流滲透坡降如圖6所示。

圖6　不同工況下閘基滲流滲透坡降

由圖中數(shù)據(jù)對比分析可知：就單一情況而言，與排水孔均有效的情況相類似，上游鋪蓋的滲流入口處、鋪蓋與閘底板連接處以及下游滲流出口處滲透坡降值相對較大。就多種情況對比而言，閘基下游護坦中滲透坡降的最大值均發(fā)生在滲流出口的位置，并且伴隨著護坦中排水孔失效位置向下游的延伸，滲透坡降值也相應(yīng)地降低。⑥號排水孔失效時對應(yīng)的計算工況的滲透坡降值已達到0.325，從①號失效排水孔到⑥號失效排水孔，相鄰工況之間滲透坡降的降低值大致保持均勻。閘基底板與下游護坦的連接部位以及閘基下游滲流出口處，多種工況的滲透坡降值同樣伴隨著排水孔的失效向下游拓展，呈現(xiàn)依次均勻遞減的趨勢，但是變化幅度相對較小，⑥號排水孔失效對應(yīng)的計算工況中滲流出口處滲透坡降值最大為0.325。

3.3總水頭分析

為了研究分析閘基滲流過程中等勢線伴隨下游排水孔失效發(fā)生位置的變化規(guī)律，將下游排水孔有效的情況以及排水孔①～⑥號位置分別發(fā)生失效時，閘底板及護坦沿線位置的總水頭沿水流向的變化情況進行了統(tǒng)計分析，得到不同工況下閘基總水頭的變化過程如圖7所示。

圖7　不同工況下閘基總水頭的變化過程

由圖中底板底部總水頭沿順水流方向的變化情況可知：當(dāng)下游排水孔均有效時，水閘底板的總水頭大致呈現(xiàn)線性遞減的趨勢；當(dāng)下游護坦中的止水發(fā)生失效時，總水頭的遞減速率明顯降低，且0水頭點的位置明顯延后，也就是說止水失效位置的揚壓力同時也在增大。就多種工況對比而言，排水孔失效的位置越是靠近下游，總水頭遞減的速率越小，相應(yīng)的閘底板的揚壓力越大，相比而言，下游排水孔均有效的情況下總水頭的降低速率最大，水頭變化曲線的波動性最小。

3.4滲流量分析

滲流量的大小是評價水閘閘基抗?jié)B性能的主要參數(shù)，也是用于判斷閘基是否需要采用其他防滲措施的主要依據(jù)。為此，將下游排水孔有效的情況以及護坦①～⑥號排水孔依次失效時，閘基在不同工況下的滲流量變化情況進行了統(tǒng)計分析，如圖8所示。從圖中數(shù)據(jù)不難看出，當(dāng)下游排水孔均有效時，閘基滲流量最大為9.91e-6m3/(s·m)，當(dāng)水閘下游護坦中排水孔失效位置距離閘底板越遠，閘基滲流量越小，6號排水孔位置對應(yīng)的滲流量值最小為7.25e-6m3/(s·m)。

圖8　不同工況下閘基滲流量變化

4　結(jié)　論

本文以小型擋水閘為研究對象，結(jié)合工程實例針對低水頭擋水閘上下游護坦中不同部位的排水孔失效時，對閘基的滲透坡降、總水頭以及滲流量等因素進行了系統(tǒng)的統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：小型擋水閘在下游排水孔均有效時，閘基滲流入口及滲流出口處的滲透坡降值最大，相應(yīng)的總水頭遞減速率也是最大的，閘底板的揚壓力相對較小，閘基滲漏量相對較大；當(dāng)下游排水孔失效位置距離閘室越遠時，閘基滲流入口及滲流出口處的滲透坡降值越小，相應(yīng)的總水頭遞減速率越小，閘底板的揚壓力相對較大，對應(yīng)工況的閘基滲流量越小。這一結(jié)果表明，水閘下游排水孔失效位置距離閘室越遠，閘底板的揚壓力值越大，對閘基的滲流穩(wěn)定性越不利，因此在設(shè)計及運行的過程中十分有必要控制下游護坦中排水孔的失效位置和數(shù)量。

[1]劉勇軍.水工混凝土溫度與防裂技術(shù)研究[D].南京：河海大學(xué),2002.

[2]凌志飛,王振紅.某水閘裂縫機理和溫控防裂措施研究[J].人民黃河,2014(1):138-140.

[3]徐子堃.水閘閘室底板及閘墩混凝土裂縫原因及處理措施淺析[J].水利建設(shè)與管理,2010(7):13-14.

Analysis on the influence of low water head sluice downstream drain hole failure on gate foundation seepage field

JI Hongtao

(XinbinCountyWaterAuthority,Fushun113200,China)

In the paper, low water head sluice is adopted as research object. The engineering example is adopted for systematically and statistically analyzing gate foundation seepage slope reduction, total water head, seepage quantity and other factors during failure of drain hole in low water head retaining sluice downstream apron at different parts. Results show that the further the water sluice downstream drain hole failure position is from the gate room, the larger the uplift pressure value of the gate bottom board will be, and the smaller the seepage quantity and seepage slope reduction value on corresponding outlet will be, which are more unbeneficial for the seepage stability of gate foundation. Therefore, it is necessary to control drain hole failure position and quantity in downstream apron, thereby guaranteeing project stability and safety.

water sluice; drain hole; failure location; seepage field; influence

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.008

TV66

A

1005-4774(2016)01-0023-04