改进阻力系数法在水闸渗流计算中的运用

张 亚 李乃回 代 晴

（徐州市水利建筑设计研究院 徐州 221000）

改进阻力系数法在水闸渗流计算中的运用

张 亚 李乃回 代 晴

（徐州市水利建筑设计研究院 徐州 221000）

闸基渗流是水闸设计的一个重要内容。对于闸基的防渗设计，《水闸设计规范》（S L265-2001）推荐改进阻力系数法或流网法进行防渗计算。文章主要阐述了改进阻力系数法在丰县黄楼闸除险加固工程中闸基渗流计算中的运用，通过阐述改进阻力系数法的基本原理、地下轮廓线的布置并进行相关的渗流计算，最后得出结论，该设计满足规范要求。

水闸 渗流系数 渗流坡降 改进阻力系数法

1 工程概况

复新河是南四湖湖西一条流域性河道，发源于安徽省砀山县玄帝庙村西，沿废黄河北堤东流至董庄东北流入丰县，纵贯丰县境内，下游经山东省鱼台县于西姚村流入昭阳湖，丰县境内长度53.9km，流域面积1098km2。复新河是纵贯丰县南北的一条主要排涝河道，主要有太行堤河、苏北堤河、西支河、子午河、苗城河等14条支流。1973年淮委划定复新河流域总面积1812km2，其中安徽境内170 km2，山东境内459km2，江苏境内丰县1098km2，沛县85km2。复新河分三个梯级，从下至上分别为李楼闸站、丰城闸站及黄楼闸。

黄楼闸位于复新河上游，宋楼镇黄楼村北，承担上游116.8km2排涝和2万亩农田灌溉任务，是复新河第三级梯级控制工程，具有防洪、排涝、蓄水、灌溉等多种功能。

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）以及《防洪标准》（GB50201-2014），确定黄楼闸设计排涝标准为10年一遇，防洪标准为20年一遇。黄楼闸为中型涵闸，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物的级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。黄楼闸水位流量见表1。

表1 黄楼闸水位流量表

2 工程总体布置

黄楼闸为钢筋混凝土开敞式水闸，共3孔，每孔8m，工作桥、检修便桥布置在闸室上游侧，交通桥布置在闸室下游侧，闸室两侧分别设置楼梯间及控制室。闸室底板顶高程37.80m，闸顶高程43.00m，闸室底板顺水流方向长15.0m，垂直水流方向总长28.40m；闸室上游铺盖长15m，顶高程37.80m，厚度0.5m。下游消力池总长26.00m，池深0.9m，池厚0.8m，高程为35.40m，消力池水平段设Φ10cm冒水孔。闸基底板布置见图1。

图1 闸基底板布置图

3 渗流稳定计算

3.1 计算条件

当上游水位为41.00m，下游水位为37.00m的最不利水位组合时，对闸基将产生最为不利的渗透作用，故选择该工况作为防渗计算工况。

3.2 渗流计算

根据地质报告，场地内第①层砂壤土、②层粉砂的渗透变形破坏形式均为流土破坏，建议允许水力比降分别为0.30、0.25。

该工程正向防渗设施采用闸上游设置钢筋混凝土铺盖，铺盖长度15m，厚0.5m。同时在铺盖前段套打双排水泥土搅拌桩截渗墙，桩底高程25.0m，穿粉砂土层，入壤土层1m，截渗墙28d渗透系数不大于A×10-6cm/s。

侧向绕渗设计上游翼墙前段同样套打双排水泥土搅拌桩截渗墙，与铺盖截渗墙连接，桩底高程25.0m，穿粉砂土层，入壤土层1m。

根据《水闸设计规范》（SL265-2001），运用改进阻力系数法进行渗流计算（见图2），计算各典型段的阻力系数，并计算各典型段的渗压水头损失。

3.2.1 地基有效深度计算

按照《水闸设计规范》（SL265-2001）C.2.1土基上水闸的地基有效深度可按公式（C.2.1-1）或（C.2.1-2）计算：

式中：Te—土基上水闸的地基有效深度（m）；

L0—地下轮廓的水平投影长度（m）；

S0—地下轮廓的垂直投影长度（m）。

当计算的Te值大于地基实际深度时，Te值应按地基实际深度采用。

3.2.2 分段阻力系数计算

按照《水闸设计规范》（SL265-2001）C.2.2分段阻力系数可按公式（C.2.2-1）～（C.2.2-3）计算：

a.进、出口段（见图3C.2.2-1）

式中：ξ0—进、出口段的阻力系数；

S—板桩或齿墙的入土深度（m）；

T—地基透水层深度（m）。

b.内部垂直段（见图3C.2.2-2）

式中：ξy—内部垂直段的阻力系数。

c.水平段（见图3C.2.2-3）

式中：ξx—水平段的阻力系数；

Lx—水平段长度（m）；

S1、S2—进、出口段板桩或齿墙的入土深度（m）。

（1）进口段：

（3）铺盖垂直段：

（6）消力池倾斜段：

3.2.3 渗透压力计算

闸上水位：41.00m；闸下水位：37.00m。

因此：ΔH=41.00-37.00=4.00m。

按照《水闸设计规范》（SL265-2001）C.2.3各分段水头损失值可按公式（C.2.3）计算：

式中：hχ—各分段水头损失值（m）；

ai—各分段的阻力系数；

n—总分段数。

计算得到每一段的渗压水头损失，见表2。

图2 渗流计算简图

图3 C.2.2-1

图3 C.2.2-2

图3 C.2.2-3

3.2.4 进、出口段水头损失修正

3.2.4.1 进、出口段水头损失值和渗透压力分布图形可按下列方法进行局部修正：

a.进、出口段修正后的水头损失值可按公式（C.2.4-1）～（C.2.4-3）计算（见图4C.2.4-1）

表2 每一段渗压水头损失值表

表3 渗流稳定计算成果表

图4 C.2.4-1

h0—进、出口段水头损失值（m）；

β'—阻力修正系数，当计算的β'≥1.0时，采用β'=1.0；

S'—底板埋深与板桩入土深度之和（m）；

T'—板桩另一侧地基透水层深度（m）。

b.修正后水头损失的减小值，可按公式（C.2.4-4）计算

式中：Δh—修正后水头损失的减小值（m）。

c.水力坡降呈急变形式的长度可按公式（C.2.4-5）计算：

d.进口段水头损失修正

不需要修正。

e.出口段渗透压力分布图形可按下列方法进行修正见图4C.2.4-2

图4 C.2.4-2

图4C.2.4-2中的QP'为原有水力坡降线，根据公式（C.2.4-3）和（C.2.4-4）和公式（C.2.4-5）计算的Δh和L'x值，分别定出P点和O点，连接QOP，即为修正后的水力坡降线。

3.2.4.2 进、出口段齿墙不规则部位可按下列方法进行修正（见图5C.2.5-1和图5C.2.5-2）

图5 C.2.5-1

图5 C.2.5-2

a.当hx≥Δh时，可按公式（C.2.5-1）进行修正

式中：hx—水平段的水头损失值（m）；—修正后的水平段水头损失值（m）。

b.当hx＜Δh时，可按下列两种情况分别进行修正

（1）若hx+hy≥Δh，可按公式（C.2.5-2）和公式（C.2.5-3）进行修正

式中：hy—内部垂直段的水头损失失值（m）；—修正后的内部垂直段水头损失值（m）。

（2）若hx+hy＜Δh，可按公式（C.2.5-2），公式（C.2.5-4）和公式（C.2.5-5）进行修正

式中：hcd—图C.2.5-1和图C.2.5-2中CD段的水头损失值（m）；—修正后的CΡ段水头损失值（m）。

以直线连接修正后的各分段计算点的水头值，即得修正后的渗透压力分布图形。

c.出口段水头损失修正

应予以修正。

出口段水头损失减小值为：Δh10=0.530-0.080=0.449m

因为h9+h8＜Δh10，因此出口齿墙垂直段、齿墙水平段及消力池水平段水头损失修正如下：，。

渗流稳定计算成果见表3。经过验算，无误。

3.2.5 闸底板渗透坡降和渗流出口处坡降

C.2.6出口段渗流坡降值可按公式（C.2.6）计算：

式中：J—出口段渗流坡降值。

渗流出口平均坡降J0=0.322＜1.3[J0]=1.3×0.25=0.325

闸底板水平段平均渗透坡降JX=0.040＜1.3[JX]=1.3× 0.15=0.195

铺盖底板水平段平均渗透坡降JX=0.039＜1.3[JX]=1.3× 0.15=0.195

侧向防渗：闸室回填土采用砂壤土，根据《水闸设计规范》，砂壤土允许渗透长度系数9，需要防渗长度36m，根据布置水闸侧向防渗长度为69.2m，满足防渗要求

（专栏编辑：顾 梅）