某閘測壓管實測數據分析及安全穩定驗算

郭德強 徐甲傲

（安徽三洲水利建設有限公司 宿州 234000）

1 引言

一般情況下影響水閘整體穩定的荷載主要有水平推力，包括上下游水壓力、以及使水閘產生向上的力，即：浮托力、作用在底板上的滲透壓力，上下游水壓力、浮托力由計算確定，底板下的實際滲透壓力值只能從測壓管觀測得到，測壓管觀測值能直接反映出水閘上游防滲段的防滲效果及下游逸出點的反濾效果，測壓管觀測可為閘體穩定性驗算提供可靠的依據。而滲透壓力的理論值與實際值不一定相同，因此在驗算閘體穩定時要根據測壓管觀測的實際數據計算滲透壓力值。本文以某閘某時段的觀測數據為例，進行水閘的安全穩定性分析計算。

2 工程概況

某閘按5 年一遇標準設計，排澇水位19.05～18.90m，設計流量344m3/s，排洪水位19.98～19.78m，排洪流量528.0m3/s，設計蓄水位19.0m。工程等別為Ⅲ等中型水閘，堤防、閘室等主要建筑物為3 級，翼墻等次要建筑物為4 級，臨時建筑物為5 級。閘室采用鋼筋混凝土開敞式結構，閘底板高程14.40m，7 孔，每孔凈寬7.0m，總凈寬49.0m。閘室垂直水流向總寬74.8m，順水流向長15.0m，閘室底板為整體式筏式基礎，厚1.0m，閘墩上、下游均為半圓型，墩頂高程21.30m。

閘室兩側岸墻為鋼筋混凝土空箱式結構，均寬7.9m；閘上游側采用鋼筋混凝土扶壁式翼墻與河岸相連，翼墻平面上呈八字型，翼墻水平投影長度15.0m。閘下游側采用鋼筋混凝土扶壁式翼墻與河岸相連，翼墻平面上呈八字型，翼墻水平投影長度20.0m。閘出口設為挖深式消力池，鋼筋混凝土結構，消力池深2.0m，長20.0m，消力池水平段下設長7.5m的反濾層，在消力池后接長35m 的干、漿砌石海漫，前端為長15.0m 的漿砌塊石段，其后為長20.0 的干砌塊石段。海漫末端設頂寬為8.0m 的防沖槽，頂高程為14.40m，槽深1.5m，底寬6.5m。空箱岸墻、扶臂式翼墻基礎采用水泥土粉噴攪拌樁加固，樁徑0.5m，樁長平均為10.0m。

閘室上游側齒墻下布置一道多頭小直徑水泥土截滲墻，墻厚0.3m，墻深10.0m，伸入6 層重粉質壤土層1.0m，伸入兩側空箱岸墻下各5.0m。

為便于觀測閘的運行情況，設計布置了測壓管觀測和上下游水位觀測設施。

3 工程地質情況

勘察揭露的土層自上而下可分6 個自然層，現分述如下：

（1）素填土：以重粉質壤土、粉質粘土為主，灰黃色，可塑狀態，屬中等壓縮性土。層底高程18.75～16.45m，層厚2.0～4.0m。

（2）②層重粉質壤土、粉質粘土：夾薄層粉土，含鐵錳結核及砂礓，灰黃色，一般可塑狀，局部硬塑狀，屬中等壓縮性土。層底高程11.65～10.55m，層厚5.0～7.2m。

（3）③1層砂壤土：灰黃色，稍～中密，屬中等偏低壓縮性土。層底高程9.55～8.458m，層厚2.1～2.8m。

（4）④層重粉質壤土：含鐵錳結核及砂礓，灰黃色，可塑～硬塑狀，屬中等壓縮性土。層底高程7.65～7.45m，層厚1.0～2.1m。

（5）⑤層砂壤土：灰黃色，稍～中密，屬低壓縮性土。層底高程4.45～4.25m，層厚3.2m。

（6）⑥層重粉質壤土、粉質粘土：夾薄層粉土，含砂礓，灰～灰黃色，硬可塑～硬塑狀，屬中等壓縮性土。本層未鉆穿，揭露最大厚度為7.7m，相應層底高程-0.25m。

閘址處場區地震動峰值加速度值為0.10g，相應地震基本烈度為7 度。

4 水閘的安全穩定性分析計算

4.1 測壓管數據觀測及滲透壓力曲線繪制

根據該閘從2012 年6 月6 日開始至2014 年5月30 日止測壓管數據觀測資料，分別繪出上游和下游水位差與測壓管滲透壓力的關系曲線。

根據閘上下游水位差H 值與上游理論滲透壓力hx1值，在直角坐標系中繪出H、hx1值關系曲線，結果為一條直線，這條直線表明H、hx1值為一次函數關系，即函數式為hx1＝0.322H,同時根據測壓管測得的上游實際滲透壓力繪制出與H 的關系曲線，如圖1 所示。采用同樣的方法繪制出下游測壓管理論滲透壓力曲線，其函數式為hx2=0.223H,同樣根據下游觀測資料繪制出下游實際滲透壓力曲線，如圖2 所示。

4.2 測壓管滲透壓力特征分析

從圖1 和圖2 中可以看出理論與實際滲透壓力曲線均屬一次函數關系，兩條直線并不平行，但線條走向趨勢是一致的，這表明實際滲透壓力小于理論滲透壓力，而且隨著上下游水頭差的增加，兩條直線之差增大。

4.3 閘的穩定安全計算

根據設計要求，選用四孔一聯在惡劣放水條件下，進行穩定安全計算。惡劣放水條件為：上游水位為19.00m,下游水位為15.5m；上下游水位差為3.5m,根據圖1、圖2 查出閘室上下游測壓管的滲透壓力值，由于惡劣放水，底板下的實際滲透壓力隨之發生變化，作用在閘室底板上的各種荷載組合也隨之發生變化，整體穩定將有新的變化，采用地基應力公式、整體穩定安全系數公式計算節制閘遇惡劣放水時的安全情況。

圖1 上下游水位差與上游測壓管滲透壓力關系曲線圖

圖2 上下游水位差與下游測壓管滲透壓力關系曲線圖

4.3.1 抗滑穩定計算

閘的受力情況分析：閘的主要荷載包括自重、靜水壓力、浮托力、滲透壓力、水重。

（1）水重W

上游水重：

（2）滲透壓力P

由此式計算得：

上游齒墻外側h1=2.829（m）

截滲墻上游側h2=2.817（m）

根據上下游測壓管水頭與滲透壓力曲線，查出相應位置的滲透壓力及截滲墻位置的理論滲透壓力，繪制出閘底板下的滲透壓力分析圖。

查得截滲墻下游側h3=1.59（m）下游齒墻外側h4=0.9（m）

作用在底板上的滲透壓力為：

（3）浮托力F

（4）靜水壓力P水

（5）自重G

（6）該閘抗滑穩定安全系數K 的計算

土壤內摩擦系數f0=0.3

作用于水閘上全部荷載對滑動平面的法向分值：

土壤的凝聚力C=3.0（t/m2）

上下游齒墻間土體的剪切面積：

作用于水閘上全部荷載對滑動平面的切向分值：

滿足《水閘設計規范》（SL265-2001）規定的3級水閘抗滑穩定安全系數1.25 的要求。

4.3.2 地基應力計算

（1）水重產生的力矩M

①下游水重產生的力矩：M1=-211.04×（7.5-（1.95+0.45+2.7）/2）=-1044.65（t·m）

②上游水重產生的力矩：M2=（1159.2+276.66）×（7.5-（0.3+6.65+0.45+1.59）/2）=4314.76（t·m）

（2）閘底滲透壓力產生的力矩MP

根據上下游測壓管水頭與滲透壓力曲線查出相應位置的滲透壓力及截滲墻位置的理論滲透壓力繪制出閘底板下的滲透壓力分析圖，見圖3。

圖3 閘底滲透壓力分析圖

（3）浮托力產生的力矩MF

上游浮力產生的力矩：

下游浮力產生的力矩：

（4）上下游靜水壓力產生的力矩MP水

（5）閘自重產生的力矩MG

地基應力計算根據地基應力公式計算：

4.4 分析成果及結論

該閘穩定分析計算成果見表1。

表1 該閘穩定分析計算成果表

根據該閘穩定分析計算成果，地基應力不均勻系數，抗滑穩定安全系數均在允許范圍內，說明該閘遇設計標準水位和惡劣放水條件時整體穩定，同時閘的最大滲透坡降小于地基②層的允許坡降，說明閘室下游滲水逸出點土壤顆粒穩定，不會出現管涌和流土現象。該閘到目前為止仍然運行良好。

5 結語

利用低水頭時測壓管的觀測資料分析預測水閘在高水頭時運行的安全性具有一定的現實意義。目前很多中型以上水閘都設置了測壓管觀測設施，施工單位在測壓管安裝完成后及時按要求認真進行測壓管觀測，移交時為管理部門提供一份觀測分析資料，以校驗水閘運行的安全性，為水閘運行管理和后續觀測提供依據。運管單位在運行管理期間繼續加強觀測，在汛期和高水頭時可加密觀測，不斷積累觀測資料，對閘的安全運行進行及時預測，充分發揮測壓觀測設施的作用■