韩腰楼节制闸整体稳定及渗流稳定计算与分析

陈 辉，孙洁莹

(1.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088；2.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

水闸是一种低水头水工建筑物,具有挡水、泄水的双重作用,在水利工程中应用十分广泛。其主要作用是通过闸门的起闭控制流量和调节水位[1]。水闸的整体稳定及渗流稳定直接关系到水闸的安全[2],在设计过程中要仔细核算,当计算结果不能满足规范要求时,要采取合理的工程措施以保证水闸运行安全。

1 韩腰楼节制闸结构设计及稳定计算

1.1 节制闸结构设计

韩腰楼枢纽节制闸具备排洪和上游蓄水功能,设计排洪流量1008m3/s,闸门型式为平板钢闸门。考虑闸门单向挡水,节制闸闸室采用开敞式结构,共4孔,单孔净宽15m,总净宽60m,闸室底板两孔一联,两侧为独立空箱岸墙。闸室底板厚2m,底板顶高程为26m,闸墙顶高程36m,根据上部结构交通桥、启闭机桥和检修便桥的布置,并考虑闸室的稳定要求,闸室顺水流向长度为20m,闸室上游侧钢筋混凝土铺盖长度为20m,下游侧钢筋混凝土消力池长度为28m。韩腰楼节制闸纵剖面图如图1所示,横剖面图如图2所示。

图1 韩腰楼节制闸纵剖面图

图2 韩腰楼节制闸横剖面图

1.2 节制闸稳定计算

根据文[3],土基上的闸室稳定计算应满足下列要求:① 在各种计算工况下,闸室平均基底应力小于地基允许承载力,最大基底应力小于地基允许承载力的1.2倍。② 闸室基底应力不均匀系数小于2。③ 闸室基底抗滑稳定安全系数大于1.3。水闸计算工况由规划设计水位确定,韩腰楼枢纽规划设计水位如表1所列。

表1 韩腰楼节制闸规划设计参数表

闸室基底压应力按式(1)计算:

(1)

其中，∑M为作用于结构上的全部竖向和水平向荷载对于底板底面形心轴的力矩，kN·m;W为基础底面对底板底面形心轴的截面矩，m3。

闸室基底应力不均匀系数按式(2)计算:

(2)

其中，η为基底应力不均匀系数。

闸室抗滑稳定安全系数按式(3)计算:

(3)

其中,Kc为抗滑稳定安全系数;∑G为作用在底板以上的全部竖向荷载,kN;f为基础底面与地基土之间的摩擦系数,取0.3;∑H为作用在建筑物上的全部水平荷载,kN。

韩腰楼节制闸闸室各工况下的整体稳定安全计算结果如表2所列。

表2 闸室整体稳定安全计算成果表

由以上计算结果可知,韩腰楼节制闸闸室最大基底应力为118.23kN,小于地基承载力150kN;闸室基底应力不均匀系数最大值为1.75,小于基底应力不均匀系数允许值2;闸室抗滑稳定安全系数最小值为1.32,大于抗滑稳定安全系数下限值1.3。综上可知,韩腰楼节制闸在各种工况下整体稳定性均能满足规范要求,可采用天然地基作为持力层,不需要进行地基处理。

2 韩腰楼节制闸防渗设计及渗流稳定计算

2.1 节制闸渗流稳定计算

韩腰楼节制闸闸基防渗体系主要由闸室底板、上游钢筋混凝土铺盖和下游钢筋混凝土消力池不透水段组成。其中闸室底板长20m,上游侧钢筋混凝土铺盖长20m,下游侧钢筋混凝土消力池水平投影不透水段长14.3m。渗流计算采用河海大学土木工程学院开发的“Autobank7.0渗流稳定计算程序”[4]。

闸基以下土层主要为③ 层轻粉质壤土、沙壤土,透水性强,层厚12m～15m;其下为④ 层重粉质壤土,透水性较弱,层厚6m～10m。各土层渗透系数及允许比降均采用地质报告中的建议值,如表3所列。

表3 韩腰楼节制闸闸址区各土层渗透系数建议值

根据规划设计条件表可知,韩腰楼节制闸在恶劣放水工况上下游水头差最大,此时最有可能发生渗透破坏,选取恶劣放水工况为计算工况,计算出口段的渗流坡降。计算模型及结果如图3所示。

图3 韩腰楼节制闸渗透稳定计算结果简图

由以上结果可知,在恶劣放水工况下,闸基下游出口段渗流坡降为0.161,大于地质报告给出的允许渗流坡降0.15,不满足规范要求,需采取工程防渗措施。

2.2 韩腰楼节制闸工程防渗措施

按照上堵下排的原则,在上游铺盖下设置1道塑性混凝土截渗墙,墙体厚度0.4m,深入相对不透水层厚度为1.0m。增设塑性混凝土截渗墙后,继续采用“Autobank7.0渗流稳定计算程序”进行验算,计算模型及结果如图4所示。

图4 韩腰楼节制闸渗透稳定计算结果简图(布置截渗设施后)

由计算结果可知,在恶劣放水工况下,闸基下游出口段渗流坡降为0.0291,小于地质报告给出的允许比降0.15,满足规范要求。

根据本闸土层条件,结合计算分析结果,确定采用水平防渗和垂直防渗组合布置型式,截渗墙深入重粉质壤土层1m,平均深度15.5m,墙厚0.4m,长度232m,截渗墙两侧与两岸堤防相接。塑性混凝土截渗墙浆液配合比可参照以往工程经验设计如下：水泥掺量125kg/m3左右,粘土掺量为水泥重的2～2.5倍,膨润土掺量为粘土重的10%～20%,砂率40%～50%,水胶比0.9～1.1。为防止闸基底部接触渗流问题,沿渗径范围底板下设置0.8m厚10%水泥土垫层,换填后水泥颗粒会吸收土体中水分并迅速凝结,形成硬化骨架包裹内部土体颗粒,提高土体允许渗透坡降[5]。通过水泥土换填和垂直截渗墙两道工艺,保证工程在运行期各种不利工况下均能满足渗流安全要求。

3 结束语

稳定和渗流安全是影响节制闸安全的两大重要因素,砂性土地基承载力普遍较高,一般可以满足水闸整体稳定要求,但是砂性土透水性较强,易发生管涌破坏,经常需要进行防渗处理。塑性混凝土截渗墙具有一定的柔性,比钢筋混凝土截渗墙能更好的适应地基土体变形,是软土地基一种行之有效的防渗措施。在实际工程中,闸底板与地基接触面以及截渗墙与上游铺盖接触面,都是易发生渗流破坏的薄弱点,可结合水泥土换填等工程措施,以保证水闸的渗流安全。