透水闸室结构横向渗流特性研究

王嘉炜，陶桂兰，李志成，张 驰

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

通讯作者：陶桂兰(1962—)，女，博士，研究员，研究方向为港航工程结构。E-mail：gltao@hhu.edu.cn。

船闸作为一种挡水建筑物，需要承受上、下游水位差的影响。当闸室采用透水闸底时，在水位差的作用下，闸基及两侧回填土内会产生从上游(或闸室)经过上(或下)闸首底向闸室(或下游)的纵向渗流，绕过上(或下)闸首边墩向下游的侧向渗流，闸室墙后回填土与闸室间经闸墙底的横向渗流[1]。考虑到船闸闸室的纵向尺度远大于横向尺度，除了靠近上、下闸首处，闸室以横向渗流为主[2]。渗流不仅会产生渗透压力，影响建筑物的稳定性，而且渗透坡降达到一定程度会导致土体出现渗透变形，这给船闸的正常运行带来很大的安全隐患。

船闸渗流计算的方法可以归纳为基于理论和经验的简化计算法如渗径系数法(直线比例法)、直线展开法、加权直线法、改进阻力系数法，数值模拟法如有限元法、边界元法，试验分析法如电网络法[3]。《船闸水工建筑物设计规范》[4]中防渗计算采用的是渗径系数法和阻力系数法，两种计算方法都是将空间渗流问题简化为均质地基上的平面恒定渗流问题进行处理。渗径系数法是将建筑物与地基接触的轮廓线按比例展开为等效的水平渗流路径，并假设渗透压力水头沿程均匀损失进行渗流计算[5]。阻力系数法根据地下轮廓线的角点等水头线将渗流区域划分为进出口段、内部垂直段和水平段，计算各典型段的阻力系数，以此来分配各段的渗透压力水头损失值，并对进出口段进行修正，得到各角点的水头值，从而验算闸基渗透稳定性[6]。

目前对透水闸室横向渗流场的分布特性和垂直防渗设施的防渗效果缺乏研究，本文结合某透水闸室结构进行横向渗流的有限元分析，探讨不同垂直防渗设施的布设位置和长度对透水闸室结构横向渗流的影响，分析垂直防渗设施的防渗效果，了解渗流场的分布及变化规律，为工程设计中防渗体系的布置提供参考。

1 透水闸室结构横向渗流有限元建模

1.1 稳定渗流的基本方程和边界条件

根据Darcy定律和水流连续性条件，二维稳定渗流的基本微分方程可表示为[7]：

(1)

式中：H为渗流水头；kx、ky分别为x、y方向渗透系数。

式(1)在稳定的有压渗流问题求解中须给定以下边界条件：

第一类边界条件即水头边界：

H|S1=φ(x，y) (x，y)∈S1

(2)

式中：S1为已知水头边界；φ(x，y)为已知水头分布函数。

第二类边界条件即流量边界：

(3)

式中：S2为已知流量边界；q(x，y)为已知流量分布函数；n为边界S2的外法线方向；kn为边界外法线方向渗透系数。

1.2 基于ANSYS软件的渗流场模拟

有压渗流问题和温度场问题的微分方程和定解条件相似，可将温度场介质视为土体介质，导热系数视为渗透系数，边界条件视为已知的水头边界和流量边界，就能够利用ANSYS的热分析模块进行渗流场的分析，温度场与渗流场的对应物理量见表1[8-9]。

表1 ANSYS温度场与渗流场对应的物理量

1.3 闸室横向渗流的有限元计算模型

船闸闸室采用分离式结构，两侧是钢筋混凝土重力式闸墙，单侧闸墙横断面见图1。闸室采用透水闸底，闸室宽23 m，闸底高程10.5 m，墙后布置排水管，中心高程15.5 m。地基为均质各向同性的中粗砂，渗透系数取0.02 cms，底部相对不透水边界的高程为-15 m。防渗设施采用长6 m、厚0.2 m的钢筋混凝土板桩。计算工况取闸室的检修工况，闸室水位与闸底齐平，墙后水位位于排水管中心处。

图1 单侧闸墙横断面(尺寸：mm；高程：m)

检修工况下闸室横向渗流可视为稳定的平面有压渗流问题，利用ANSYS有限元软件建立二维横向渗流的有限元模型，考虑到闸室结构的对称性，取一半闸室结构进行建模。模型的宽度取高度的3倍。闸室水位与闸底齐平，墙后水位位于排水管中心，均为固定水头边界，其余边界均为不透水边界。有限元模型采用PLANE55二维四结点热单元进行网格划分，单元边长取0.2 m，模型中含42 952个单元、43 523个结点，闸室横向渗流的有限元计算模型见图2。

图2 闸室横向渗流的有限元计算模型

2 透水闸室横向渗流分布特性

2.1 渗透压力水头的分布

闸室横向渗流场中渗透压力水头的分布如图3所示。水头等值线沿闸墙轮廓线的分布具有明显的不均匀性。闸墙后区域内等值线分布稀疏，而板桩底部等值线集聚现象明显，该处是整个渗流场中渗透坡降最大的位置；板桩段较闸墙底水平段等值线分布更密集，体现了垂直防渗设施的防渗效果要优于闸墙底水平段。相较于闸墙后渗入段可近似视为无限宽，闸室出口段受闸室有限宽度影响显著，出逸阻力较大，导致等值线在板桩两侧的分布具有明显的不对称性，板桩出口侧的等值线较另一侧分布更为密集。

图3 渗透压力水头分布

为更清楚地了解闸底轮廓线上的渗透压力水头分布情况，沿闸底轮廓线ABCDEF提取渗透压力水头数值，其分布见图4。在板桩桩尖C点水头损耗剧烈，而在板桩根部D点水头变化趋势平缓。以C、D两点作为分界点，渗透压力水头曲线分为3个区域，ABC段为快速衰减段，CD段为衰减减缓段，DE段为平缓衰减段。闸墙底部DE段水头分布曲线呈上凸状，在实际工程中采用简化计算法计算闸墙底渗透压力时以D、E两点连成的直线代替图4中DE段曲线表示闸墙底渗透压力水头分布偏安全。

图4 渗透压力水头沿轮廓线分布

以单位长度的渗透压力水头损失值作为衡量指标来判别轮廓线各段的防渗效果，闸底轮廓线各段渗透压力水头的损失情况见表2。F点高程以上的墙身段防渗效果要弱于水平段；轮廓线其余各垂直段的防渗效果均优于水平段，表明垂直段的防渗效果整体优于水平段。不同垂直部位的防渗效果有所不同，板桩BC段单位长度的水头损失是CD段的2.19倍，这是由于BC段较CD段而言渗透水流除了要克服绕过板桩的阻力，还要克服闸室有限宽度的出逸阻力。

表2 轮廓线各段渗透压力水头的损失情况

2.2 渗透坡降的分布

透水闸底的渗透坡降分布见图5a)。透水闸底OA段的渗透坡降在0.163～0.202，从端部A点向闸室中轴线处O点逐渐减小，中轴线处的渗透坡降较端部减小了19.3%。闸墙底部的渗透坡降分布见图5b)，闸墙底DE段两端渗透坡降差异较大，E点渗透坡降最大，达到了0.466，D点渗透坡降最小，仅有0.003，该区域受到垂直防渗板桩与闸墙底部水平段的遮掩作用，渗透水流在绕过角点E后主要沿着较短的渗流路径到达桩底C点，而非沿着EDC这条路径向闸室渗入。目前《船闸水工建筑物设计规范》中的渗径系数法和阻力系数法均假设渗透压力水头在各特征段内均匀衰减，即认为各特征段渗透坡降是一个定值，从而求得各特征段的平均渗透坡降，有限元计算结果表明闸墙底部水平段渗透坡降沿程变化较大，采用该假设计算渗透坡降时有一定误差。

图5 渗透坡降分布

3 板桩布置位置对闸室横向渗流特性的影响分析

3.1 板桩布置位置对渗透压力水头的影响

板桩布置于不同位置4、6、8、10 m时闸墙底部渗透压力水头的分布见图6。在板桩长度相同的情况下，板桩设置在闸底后趾处较设置在前趾处能够显著降低闸墙底部的渗透压力水头。仅设后板桩时，闸墙底部水头分布曲线呈下凹状，随着后板桩长度的增加，闸墙底部的水头整体都有一定减小，后趾处的水头显著减小而前趾处的水头只是略有减小，表明后板桩长度的变化对水头的影响沿着远离板桩的方向逐渐减小；仅设前板桩时，闸墙底部水头分布曲线呈上凸状，且随着前板桩长度的增加，闸墙底部的水头整体都有一定增加，且增幅沿着远离板桩的方向逐渐减小。

图6 闸墙底部渗透压力水头分布

板桩布置于不同位置时板桩段单位长度的水头损失值见图7。前板桩单位长度的水头损失值大于后板桩，这是因为渗透水流在绕过前板桩时除了克服绕流阻力还要克服闸室有限宽度造成的出逸阻力，这使得前板桩单位长度的水头损失值较后板桩增加了16.38%～24.99%，增加部分占比较大，两者的差异不可忽略。随着板桩长度的增加，渗透水流从墙后向闸室入渗的渗流路径延长，总渗透压力水头不变的情况下单位渗径长度的水头损耗降低，前、后板桩单位长度水头损失值逐渐减小。

图7 板桩段单位长度水头损失值

3.2 板桩布置位置对渗透坡降的影响

板桩布置于不同位置时透水闸底OA段最大渗透坡降见图8a)，闸墙底部DE段最大渗透坡降见图8b)。透水闸底OA段的渗透坡降从闸室中轴线处O点向端部A点逐渐增大，最大渗透坡降在端部A点处；闸墙底部DE段渗透坡降从布置板桩一端向未布置板桩一端逐渐增大，最大渗透坡降在未布置板桩的端点。随着板桩长度的增加，透水闸底与闸墙底部最大渗透坡降均有所减小，板桩起到了较好的防渗效果。板桩长度相同的情况下，设置前板桩时透水闸底的最大渗透坡降仅为设置后板桩时的52.15%～61.83%，设置前板桩时闸墙底部最大渗透坡降仅为设置后板桩时的60.11%～66.91%，且比值随着板桩长度的增加而逐渐减小，表明设置前板桩比设置后板桩对渗透坡降的控制更好。且设置前板桩时闸墙底部最大渗透坡降是在后趾处，设置后板桩时闸墙底水平段最大渗透坡降是在前趾处，前趾位置靠近闸室出逸处，前趾处产生较大的渗透坡降使得渗流出逸处更容易产生渗透破坏，仅设前板桩比仅设后板桩对渗透变形的控制更为有利。

图8 最大渗透坡降

4 结论

1)闸室检修工况下仅设有前板桩防渗时，渗透压力水头等值线沿闸墙轮廓线的分布不均匀性明显，分布曲线根据水头衰减快慢可分为快速衰减段、衰减减缓段、平缓衰减段。以闸墙底部水平段单位长度水头损失作为对照，墙后段的防渗效果弱于水平段，而轮廓线其余各垂直段的防渗效果均优于水平段。

2)渗透坡降的分布在透水闸底和闸墙底部沿程变化较大，透水闸底的渗透坡降从闸室中轴线向端部逐渐增大，闸墙底部的渗透坡降从布设板桩一端向未布设板桩一端逐渐增大。

3)在板桩长度相同的情况下，布置后板桩较布置前板桩能够显著降低闸墙底部的渗透压力，且后板桩长度增加能够减小闸墙底部渗透压力，而前板桩长度增加则会增加闸墙底部渗透压力。但设置前板桩比设置后板桩时对闸室的出逸坡降和闸墙底部的渗透坡降有更好的控制效果。