土基水闸渗流稳定分析与防渗措施探讨

安普太

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）

土基水闸渗流稳定分析与防渗措施探讨

安普太

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）

本文阐述了土基水闸渗流计算的各种方法，通过实例介绍了闸基渗流稳定计算和水闸绕渗计算过程，提出了解决闸基渗流和水闸绕渗的防渗措施，以及有关设计思路。

土基；水闸；渗流稳定

引 言

建在土基上的水闸，在渗透水流的作用下，容易产生渗流变形，特别是粉、细砂地基，在闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被掏空，引起水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒塌。所以，在设计时需做好防渗排水设计，在水闸上游布置防渗铺盖、垂直防渗等防渗设施，特别是上游两岸连接建筑物及其与铺盖的连接部分，要在空间上形成防渗整体。

水闸渗流计算，主要在于求解渗流区域内的渗流压力、渗流坡降、渗流流速及渗流量等。在水闸设计中，通常根据水闸两侧的填土情况，除了闸基渗流稳定计算外，还需对水闸侧向绕渗进行计算。

常见的渗流理论计算方法有直线比例法（又称渗径系数法）、直线展开法、改进阻力系数法、流网法等。直线比例法计算精度较差，不宜采用；直线展开法只适用于地基条件不复杂且闸基防渗布置比较简单的中、小型水闸工程；改进阻力系数法是由我国南科院研究人员在研究阻力系数法的基础上提出来的，既扩大了计算范围，又提高了计算精度，是目前普遍采用的一种较精确的计算方法；流网法也是采用较多的一种方法，但是需要按规定的原则编制流网，较为复杂。下面介绍采用改进阻力系数法进行水闸渗流稳定计算。

1 闸基渗流稳定计算

某均质土坝中部布置泄水冲沙闸，地基土为较厚的低液限粘土。校核洪水位为416.81m，闸底高程为403.00m，进口圆弧段长18.2m，底板厚0.8m；上游铺盖段长15m，厚0.8m；闸室段长27m，底板厚2.0m；后接下游连接段和下挖式消力池以及海曼段。计算简图如图1。

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）中附录C.2改进阻力系数法相关公式进行计算。计算的步骤为:（1）确定水闸地基有效深度；（2）对进出口段、内部垂直段、内部水平段分别计算各分段阻力系数；（3）各分段水头损失；（4）进出口水头损失修正；（5）出逸坡降计算。计算成果见表1。

闸底板水平段渗透坡降和渗流出口处坡降的计算:

（1）渗流出口处平均坡降计算为:

（2）底板水平段平均渗透坡降为:

查地质报告可知，本工程的闸室地基为低液限粘土，渗透允许坡降为0.53，计算值均不小于此值，满足要求。

从计算成果表可知，进口水平段和铺盖水平段阻力系数分别为0.58和0.39，均超过总阻力系数的10%以上，所占比重较大，所以在粘土地基的水闸中，由于板桩防渗墙的透水性与粘性土的透水性相差不大，多用防渗铺盖来增加防渗长度更为合理。此外，内部垂直段和内部水平段的阻力系数相比，垂直段的阻力系数大于水平段的系数数倍，所以在水闸闸基内部分段中，垂直防渗的效果更为显著。但是具体选用何种防渗方式，在实际设计过程，还需结合水闸的整体布置确定，采用延长上游铺盖段不够经济时，可采用适当增加底板齿墙深度的方法来处理。

图1 闸基渗流计算简图

表1 水闸闸基渗流计算成果

2 闸室侧向渗流稳定计算

当水闸建成挡水后，除闸基渗流外，渗水还从上游高水位经闸的两侧填土层流向下游，即侧向绕渗。在闸坝式挡水建筑物中，尤其两侧均为均质土坝时，侧向绕渗问题尤为重要。侧向绕渗对边墩、上下游翼墙施加侧向水平压力，在填土与岸翼墙接触面上和渗流出口处都可能会产生渗透变形。所以，闸室侧向渗流稳定计算非常必要，也非常重要。

《水闸设计规范》中第6.0.3条规定:当岸墙、翼墙墙后土层的渗透系数小于或等于地基土的渗透系数时，侧向渗透压力可近似地采用相对应部位的水闸闸底正向渗透压力计算值。本实例中，水闸两侧均为坝体，渗透系数小于地基土，墙后的侧向绕渗属于有压渗流［1］。《水工设计手册》（第二版）第7卷泄水与过坝建筑物分册以及《取水输水建筑物丛书》水闸分册中水闸侧岸绕渗计算方法均相同，引入了化引水头hr，则绕渗水流在计算处的水深h为［3-4］:

式中:h1、h2—上、下游边界处水深，m；hr—化引水头，m。

应用改进阻力系数法也可求出hr，因其中△H=h1-h2，hi为计算点i处至渗流出口处的水头差，（∑ξ）0～i为渗流出口处至i点之间各段阻力系数之和，∑ξ为岸、翼墙背面全部阻力系数之和。将hri及上、下游水深代入上式，即可算出i点的渗流水深。

为增加侧向渗径，除了考虑水闸的上、下游翼墙的作用外，还可在边墙或岸墙后面设置一道或数道防渗刺墙，在闸室边墩后共设置了3道刺墙。计算简图如图2，计算成果见表2。

闸室侧向绕渗出口处坡降:

本工程的闸室两侧为均质土坝，根据地质资料，坝体材料的渗透允许坡降为0.49，计算值均不大于此值，满足要求。

《碾压土石坝设计规范》第7.2.3条规定，坝体与混凝土建筑物采用侧墙式连接时，土质防渗体与混凝土面结合的坡度不宜陡于1∶0.25［2］。所以，为了保证坝体施工质量，与土坝接触的闸室边墩的外边坡不宜陡于规范值。此外，为保证水闸两侧的坝体（填土）渗流稳定，采取增加侧向渗径的办法，设置了刺墙。

刺墙在平面图上一般垂直于水闸轴向（或平行于坝轴线）设置，刺墙的高度应高出绕渗自由水面，刺墙底板高程一般与闸底板齐平，刺墙厚度根据防渗要求及受力大小而定。刺墙长度一般可达上、下游水位差的1～3倍，在具体设计时，还需进行试算确定刺墙的道数和长度。

图2 绕渗计算简图

表2 水闸侧向绕渗计算成果表

3 结论

从以上对土基闸基渗流计算和水闸侧向绕渗计算结果以及采取的相应防治措施中可以得出以下结论:

（1）土基上的闸室以及土层相对简单的水闸采用阻力系数法基本能满足工程设计需要。

（2）从闸基渗流稳定计算可知，在粘土地基中，采用防渗铺盖来增加渗径更为经济合理。

（3）在防渗措施中，垂直防渗比水平防渗效果更为显著，应优先考虑板桩或齿墙。

（4）为保证水闸两侧土坝的渗透稳定，设置刺墙对于增加侧向渗径的措施效果明显。在初步拟定刺墙长度和间距时，应保证刺墙间距不小于相邻两道刺墙总长的0.7倍，如果不满足出逸比降，则需要增加刺墙道数。

［1］SL265-2001.水闸设计规范［S］.

［2］SL274-2001.碾压土石坝设计规范［S］.

［3］水利部水规总院.水工设计手册（第二版）第7卷泄水与过坝建筑物［M］.北京:中国水利水电出版社，2014:546.

［4］陈宝华，张世儒.取水输水建筑物丛书-水闸分册［M］.北京:中国水利水电出版社，2003:106～112，154～157.

TV223

A

1672-2469（2015）10-0077-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.24

安普太（1983年—），男，工程师。