延長反濾在水閘消力池前端的應用分析

朱必方，高焱哲

(廣州市宏濤水務勘測設計有限公司，廣州 510405)

1 概述

根據水閘消力池[1]的結構和其運行工況，消力池底板穩(wěn)定取決于底板所承受水的壓重，底板自重和底板揚壓力[2]、水躍引起的脈動壓力[3]。低水頭水閘消力池前端底板隆起的原因主要是泄水時消力池前端產生的水躍使得消力池底板前后水的壓重產生不平衡力矩，且前端沒有布設排水孔，當揚壓力和脈動壓力的合力矩超過消力池底板的抗傾覆力矩，使得底板上抬隆起[4]。茹建輝[5]指出，《水閘設計規(guī)范》條文說明第4.3.8條的不當在于只強調了靠前布置排水孔可能存在較大的滲透比降，會使得反濾層遭受破壞從而引起結構破壞。但是忽視了排水孔自身承擔減少基礎底面上的揚壓力，增大工程穩(wěn)定的安全度和降低工程造價的重要功能。如何正確處理排水孔布設和消力池前端安全穩(wěn)定，成為消力池設計及應用中的疑難點。

2 水閘基本情況

松柏頭水閘設計上游銜接段長36 m，其中拋石護底長為5.00 m，厚為0.50 m，混凝土護底長為10.00 m，厚為1.00 m。水閘閘室段長為10.00 m，厚為1.00 m，水閘底板高程為6.20 m。閘門為平面鋼閘門[6]，共計3孔，每孔尺寸為6.00 m×4.50 m。消力池斜坡段長為4.00 m，厚為1.10 m，消力池水平段長為16.00 m，厚為1.10 m。現(xiàn)狀橋寬8 m。下游銜接段長為25.00 m，拋石護底厚為0.50 m。水閘平面示意見圖1，剖面示意見圖2。

圖1 松柏頭水閘平面示意

圖2 松柏頭水閘剖面示意

水閘閘基土層從上至下分別為細砂層(頂板高程為6.30～7.20 m，底板高程為0.30～2.70 m，揭露層厚為3.60～5.80 m。不均勻系數(shù)1.60，曲率系數(shù)0.89，滲透性等級為中等透水，流土型，允許水力坡降0.18)、粗砂層(頂板高程為0.30～2.70 m，底板高程為-3.80～-2.00 m，揭露層厚為2.90～5.60 m。不均勻系數(shù)5.08，曲率系數(shù)0.93，滲透性等級為強透水，管涌型，允許水力坡降0.15)、粉質粘土及粘土層(頂板高程為-3.80～-2.00 m，底板高程為-10.00～-10.30 m，揭露層厚為6.20～8.00 m。孔隙比0.86，含水率27.33%，滲透性等級為弱透水，流土型，允許水力坡降0.47)，主要的透水層為細砂層及粗砂層，其主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 土層主要參數(shù)

3 反濾排水布設模型

為了分析消力池底板反濾及排水不同布設方案滲透比降、滲漏量及安全穩(wěn)定系數(shù)的影響，本文利用有限元滲流對正常布設反濾+躍后水深下布設排水孔、延長布設反濾+躍后水深下布設排水孔、正常布設反濾+收縮水深下布設排水孔3種布置形式進行計算。

躍后水深下布設排水孔模型的排水孔布置于躍后水深計算點下的消力池4.0 m范圍，正常布設反濾為排水孔兩側0.50 m布設最內側反濾層，延長布設反濾為排水孔上游水平段下滿布反濾層，收縮水深下布設排水孔模型的排水孔布置于收縮水深計算點下的消力池4.0 m范圍。

反濾布設分為3層，第1層反濾為0.30 m厚中砂層，第2層反濾為0.30 m厚粗砂層，第3層反濾為0.30 m厚碎石層(如圖3所示)。

圖3 反濾排水布設模型示意

4 水面線簡化模型

設計洪水標準為20年一遇，流量為220.18 m3/s，對應上游水位為10.20 m(珠基高程，下同)，下游水位為9.40 m。現(xiàn)狀水閘上游左、右岸各有一個灌溉取水口，設計灌溉水位為9.20 m。根據水閘設計規(guī)范并結合水閘管理人員的管理經驗，選取水位組合情況(見表2)。

表2 水位組合工況 m

駱冠勇等[8]指出，斜坡連接段上水躍的發(fā)生不僅改變連接段底板上面水的壓重，也改變了滲流場的邊界，間接影響了底板下部的揚壓力。尤其當連接段底板上設有排水減壓孔時，水躍對滲流的干擾作用更加明顯。對于消力池底板，安全穩(wěn)定計算需考慮水躍對水面線的影響。

按照《水閘設計規(guī)范》(SL 365—2016)附錄B進行消能防沖計算，根據多種工況計算結果，選定消力池深度為1.00 m，斜坡段長度為4.00 m，水平段長度為16.00 m，水躍要素計算結果參數(shù)見表3。

表3 水躍要素計算結果

折坡水躍分為A、B、C、D 4種類型，B型水躍是指一部分發(fā)生在斜坡段另一部分發(fā)生在坡底水平段的水躍，松柏頭水閘消力池斜坡段坡比1∶4，楊清[9]指出，0<θ<19°時，帶有平底段的斜底渠槽屬于B型水躍。為了計算簡化，考慮模型采用A型水躍替代，減小了消力池底板上水的重量，增加了滲透比降，使得計算結果偏于安全。

根據水躍要素計算結果，水躍長度分別為15.83 m、14.92 m及9.45 m，方便模擬，水躍長度簡化為16.00 m，16.00 m及10.00 m，計算閘前水位、閘后水位、收縮水深、躍后水深及下游水位[10]，通過線性關系簡化松柏頭水閘水躍后水面線成果，簡化后的水面線情況見圖4所示。

圖4 水面線簡化模型示意

5 滲流計算

采用理正巖土滲流分析軟件，土層滲透系數(shù)根據地質報告并結合《堤防工程手冊》選取，細砂層取4.15 m/d，粗砂層取35.00 m/d，反濾中砂層取7.30 m/d，反濾粗砂層取34.56 m/d，反濾碎石層取518.4 m/d。工況1各反濾排水布置流網示意見圖5，總水頭各點計算值示意見圖6，各點比降計算值示意見圖7。

圖5 工況1流網示意

圖6 工況1總水頭各點計算值示意

圖7 工況1各點比降計算值示意

6 結果分析

工況1情況下，當采用正常反濾+躍后水深布設的排水形式，消力池前段底板承受的揚壓力為382.20 kN，最大水平段滲透比降為0.11，當采用延長反濾+躍后水深布設的排水形式，消力池前段底板承受的揚壓力為370.83 kN，最大水平段滲透比降為0.12，當采用正常反濾+收縮水深布設的排水形式，消力池前段底板承受的揚壓力為197.27 kN，最大水平段滲透比降為0.38。在消力池底板前端布設排水孔釋放滲透壓力的效果非常明顯，但釋放滲透壓力的同時，滲透比降增加明顯，容易產生滲透破壞。

根據不同濾排水形式及不同水位組合共計12種滲流計算結果，形成滲流主要計算結果見表4。

表4 滲流主要計算結果

消力池前段斷面4種水位組合下水深分別為1.95～1.49～2.63 m、1.49～0.70～1.66 m、0～0.50 m、0.50～0.20～0.93 m，根據計算4種水位組合下消力池前段水的壓重分別為198.55 kN、111.92 kN、39.20 kN、46.94 kN。

消力池前段底板厚1.10 m，自重為288.75 kN。

消力池前段斷面3種水位組合下平均流速分別為6.36 m/s、5.26 m/s、3.44 m/s，根據工況1、工況2及工況4下脈動壓力[12]分別為67.36 kN、46.15 kN、19.78 kN。

消力池底板安全穩(wěn)定取決于底板所承受水的壓重W，底板自重G和底板揚壓力U、水躍引起的脈動壓力P。抗傾覆安全系數(shù)K1=(MW+MG)/(MU+MP)，抗浮[13]安全系數(shù)K2=(W+G)/(U+P)，根據《溢洪道設計規(guī)范》，消力池底板抗浮安全系數(shù)可取1.00～1.20，結合本工程重要性及級別、地基條件、計算情況等抗傾覆、抗浮正常運行工況安全系數(shù)取1.10，非常運行工況安全系數(shù)取1.00，工況1、工況2、工況3、工況4均為正常運行工況。安全穩(wěn)定計算成果見表5。

表5 安全穩(wěn)定計算成果

采用正常反濾+收縮水深布設的排水形式，工況1抗浮安全系數(shù)計算結果為1.08，不滿足需大于1.10的要求。采用延長反濾+躍后水深布設的排水形式，滲透壓力減小2.97%～16.88%(與采用正常反濾+收縮水深布設的排水形式對比，下同)，滲漏量增大15.39%～57.38%，最大水平滲透比降變化范圍為-9.09%～22.22%，安全系數(shù)增大2.78%～20.57%。采用正常反濾+收縮水深布設的排水形式，滲透壓力減小31.38%～71.84%(與采用正常反濾+收縮水深布設的排水形式對比，下同)，滲漏量增大24.79%～1 506.69%，最大水平滲透比降增大23.08%～263.64%，安全系數(shù)增大45.93%～190.07%。

松柏頭水閘消力池反濾及排水方案通過對比分析，收縮水深下布設排水孔方案的最大水平滲透比降為0.38、0.40、0.16及0.31，均大于允許限值0.15，為保證滲透安全，不考慮該反濾排水方案。在滲漏量增加0.21～0.89 m3/d的前提下，選用延長反濾+躍后水深布設的排水形式，消力池的安全穩(wěn)定系數(shù)增加了0.03～0.41，且使得抗浮安全系數(shù)由不滿足正常運行工況要求的1.08變化至滿足要求的1.10。

7 結語

為了協(xié)調消力池底板滲透壓力和排水孔附近土層滲透比降問題，通過正常反濾、延長反濾與躍后水深、收縮水深布設排水的組合研究，延長反濾在不改變消力池底板厚度的情況下可以實現(xiàn)抗傾覆、抗浮安全與滲透安全。

1) 收縮水深下布設排水孔的排水形式，大大減小了滲透壓力，但容易產生滲透破壞。

2) 結合工程實際情況采用延長反濾+躍后水深布設的排水形式，可以作為少量提高抗傾覆、抗浮安全系數(shù)的一種方案。

3) 延長反濾提高抗傾覆、抗浮安全系數(shù)的同時，也增加了水平段的滲透比降，使得適用范圍受限制。