水闸消力池不同的排水孔布置消力池底板变化分析

赵 壮

(辽宁省海城市水利事务服务中心，辽宁 海城 114200)

水闸具有档潮、拦洪、抬高上游蓄水位的功能作用，在航运、取水、灌溉等方面发挥着不可替代的作用。通过分析水闸消力池运行工况及其结构型式，确定底板扬压力U、底板自重G和底板所承受的水重Wg等因素在很大程度上决定了消力池底板的稳定性[1-2]。由于低弗劳德数低水头的水闸流速不大、水头差小，所以可不考虑水流所产生的负压。实践表明，泄水时低水头水闸消力池前端发生水跃，因消力池前端没有布置排水孔且底板前后水重形成不平衡力矩，当底板抗倾覆力矩低于水重和杨压力U的合力矩时，就会产生底板上抬隆起的现象[3-6]。有学者认为，《水闸设计规范》仅强调排水孔靠前布置会引起较大的渗透溢出坡降、反滤层和结构的破坏，而忽视了排水孔对降低工程造价、增大结构稳定安全度及其自身承担减少基础底面扬压力的重要功能，此条文有所不当。鉴于此，针对不同排水孔布置形式下消力池底板的渗流比降和承受的扬压力变化情况，利用有限元渗流软件模拟研究，并在此基础上给出有效的解决方案。

1 研究方法

根据水闸实际运行情况确定19.50 m的上游水位条件下，工况为单宽流量为24.15 m3/s、1.40 m3/s的水跃三要素，并向有限元渗流模型输入相应的水利条件赋值，如表1。

表1 水跃要素值

2 消力池底板变化分析

2.1 工程概况

大凌河支流某水闸按50 a一遇洪水标准设计，相应的上下游水位为24.30 m、22.58 m，按200 a一遇洪水校核，相应的上下游水位为24.46 m、23.12 m。上游铺盖高程18.5 m，厚0.6 m，铺盖长45.0 m，选用EWS实用堰型，坝高5.0 m，坝身底宽15.0 m，堰顶高程19.50 m，河床高程18.50 m。下游消力池长25.0 m，φ100mm排水孔设置于消力池后端，底板高程15.00 mm，海漫干砌石、浆砌石长为20.0 m和25.0 m，闸门为13(孔)×5.0 m×12.0 m的钢制弧形门，防冲槽干砌石长10.0 m。

从下而上水闸闸基地层为强风化砂岩、圆砾、中粗砂，其中圆砾及中粗砂为主要透水成，主要物理参数如表2。透水性较好的土层为闸基底中的砂层，地基渗透系数的增加会在一定程度上增大底板所承受的渗透压力，从而导致底板的上台隆起。

表2 岩层渗流参数

2.2 计算分析

有限元模型高度19.5 m，计算长度115 m，单元划分形式以自适应的矩形和三角形为主，由此划分5 642个基本单元。设计闸基底下圆砾层、中粗砂层达到饱和状态，赋予上游段的边界水头为24.30 m，考虑以下两种情况设置下游水力边界条件：蓄水条件下，底板高程与底板边界水头保持一致；消能泄流条件下，采用分段插值法将水跃要素计算结果，依次赋予划分的20小段消力池部位，并模拟泄流时承受不同压力水头的各段消力池底板。

消力池前端布置排水孔时铺盖的渗透压力为2 491.18 kN，该条件下溢流坝与铺盖的水力梯度i=0.05；消力池后端布置排水孔时铺盖的渗透压力为1 986.70 kN，该条件下溢流坝与铺盖的水力梯度i=0.07。可见，两种工况下铺盖自重和水重之和均超过渗透压力，因此溢流堰和铺盖受上游渗透压力增大的影响较小。通过分析消力池底板受力情况和总水头线可知，底板前端的渗透压力在排水孔前置时得以释放，底板下游侧分布有渗透压力作用点，而越后水深处于底板下游侧，底板自重及其上覆水重为460 kN、1 052.18 kN，水重和底板自重之和大于渗透压力320.60 kN。在消力池下游侧布设排水孔位时，底板的渗透压力与工程实际情况保持较好一致性，渗透压力840.25 kN明显高于布设于前端的320.60 kN。

然后将扬压力U、底板自重G和水重Wg对消力池后端点取矩，并利用公式K=(MW+MG)/MU求得抗倾覆系数K前置=5.92、K后置=1.18。研究表明，后置排水孔安全系数要远远小于前置排水孔，所以排水孔前置能够有效解决消力池底板前端上台隆起的问题。考虑到排泄小流量时消力池渗透压力较小的实际情况，对此不再做深入的探究。

在正常蓄水位(24.30 m)的情况下，消力池前端、后端布置排水孔时底板承受的渗透压力为178.60 kN和408.21 kN。后端布置排水孔时消力池底板处于无水状态，该条件下底板自重460 kN接近于渗透压力，此时的安全冗余较小，不同工况下的模拟输出如表3。

表3 渗透压力模拟输出

由表3可知，排泄流量较小的情况下，消力池底板渗透压力受排水孔前置或后置的影响较低；排泄流量较大的条件下，溢流堰底部与消力池前端衔接，消能泄流时消力池前端附近通常出现收缩水深，由于收缩水深附近水深较浅、流速较快，因此底板前端水重较小，水流速度经过水跃后变慢，跃后水深较大并使得前端水重远远小于消力池后端水重，加之扬压力作用极易对前端底板造成破坏。该条件下，将排水孔布置于消力池底板前端具有非常明显的释放渗透压力的效果，排水孔前置时较小的渗透压力有利于减小消力池底板体量，从而减少工程投资。然而，在渗透压力释放的同时也会带来一定的不利影响，如排水孔布设于前段时增大了水力梯度，这在一定程度上增大了排水孔溢出比降，从而加剧了排水孔反滤的破坏，因此将排水孔布设于前端时，需要对蓄水期间排水孔反滤定期派人检查，发现破坏时要及时维修。

3 结语

(1)将排水孔按照设计规范推荐的方法，布置于消力池后端时能够明显降低排水孔周边的渗流比降，同时也增大了消力池底板前端的渗透压力，为底板前端上抬隆起创造了客观条件，为平衡渗透压力通常要增加底板自重。

(2)前端开孔有利于降低消力池底板前端渗透压力，同时也会增加排水孔渗透比降以及渗透破坏的概率，为保证安全畅通排水需要对排水孔反滤定期派人检查。

(3)水闸地基渗流场边界条件在很大程度上取决于消力池前端布设的排水孔数量，对此必须详细分析不同的运用工况合理确定布孔数量。