基于改进阻力系数法的水闸渗流计算结果对比分析

孟 奇

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 石河子 836800)

水闸作为水利水电工程重要基础设施之一，在水资源调配方面发挥着重要的作用[1]。一旦水闸发生事故，将造成人身伤亡与基础设施损坏事故。因此，确保水闸的安全稳定至关重要。在水闸的整体安全中，渗流安全占有重要的位置[2-4]。本文在介绍水闸渗流计算方法的基础上，对渗流计算中的改进阻力系数法进行了详细的分析，并将改进阻力系数法应用在实际工程的水闸渗流计算中，达到提高渗流计算结果准确性的目的，这对于水利工程安全稳定运行具有重要的意义。

该水利工程位于新疆区域，地势上呈现出西南高东北低，整体地势较为平缓，河道全长为94.4 km，控制流域面积为1202.9 km2。根据勘探资料，在河流的冲积下，地面以下25.0 m为松散沉积层，分5个工程地质层，分别为砂壤土1(层底高程24.45～24.50 m)、壤土2(层底高程18.45～18.50 m)、粉质黏土3(层底高程11.45～11.50 m)、壤土4(层底高程8.45～8.50 m)、砂壤土5(最大揭露厚度为6.00 m)。根据勘探资料，工程区浅部地层主要为壤土、砂壤土为主。

1 改进阻力系数法计算原理

1.1 渗流计算方法介绍

渗流计算主要应用在水闸地下轮廓线各角隅点的渗压水头值、渗流比降值等的计算。渗流计算方法从分类来看，目前常用的方法主要包括理论渗流计算法及电模拟试验法。理论渗流计算法的计算工况是边界条件比较简单的情况，计算结果误差较大，电模拟试验法计算结果比较精确，但需要一定的时间和经费[5]。除上述两种方法外，改进阻力系数法进行水闸渗流计算逐渐被应用在工程实际中[6-7]。

1.2 改进阻力系数法计算原理

在不透水层且埋设深度不大的位置上，渗流属于缓慢流动，因此可将水闸闸基中的渗流流动方式模拟为管压的流动。在管压流动过程中，会存在各项水头损失。假设渗流深度为T，长度为L的水平管道运动，按照二元层流问题进行分析，通过单宽流量q，q=KhfT/L得到水头差hf，如式(1)：

(1)

式中:ξ为阻力系数;K为渗透系数,m/s。

通过式(1)可知，采用改进阻力系数法进行渗流问题计算时，需要确定边界条件。首先要确定不透水层的埋深与渗流场有效深度二者之间的关系。在此基础上，根据地下轮廓不透水部分的几何形状，进行渗流场分段。应用现有的流体力学方程，在不同的分段区域内，求解阻力系数。最后，根据求解得到的阻力系数，求解渗透水头，进行逐段累加计算水头损失，绘制渗压水头分布图。

(1)地基有效深度计算。土基水闸的地基有效深度根据工程经验以及相关理论，如式(2):

(2)

式中:Te为地基有效深度,m；L0、S0为地下轮廓的水平投影与垂直投影长度,m。

(2)地基各分段阻力系数计算。采用改进阻力法进行计算时，需要将地下的轮廓线进行分段处理，通过计算各段的阻力系数来进行渗透要素的求解。在进行分段前，首先需要将地下轮廓线进行简化，在简化过程中，出口处的齿墙和短桩深度应进行保留。同时利用地下轮廓不透水部分各角隅点和板桩尖端的等势线，将地基分段。分段的形式主要有进口出口垂直段、内部垂直段、水平段三种形式。三种形式的阻力系数计算如式(3)～式(5)：

(3)

(4)

(5)

式中：ξ0为进、出口段的阻力系数；S为板桩或齿墙的埋入深度，m；T为地基透水层深度，m；ξy为内部垂直段的阻力系数；ξx为水平段的阻力系数；S1、S2为进、出口段齿墙的埋入深度，m。

(3)水头损失计算。在计算得到各分段阻力系数值后，根据各分段的损失值进行叠加，得到总水头损失，如式(6)：

(6)

式中：hi为各分段水头损失值，m；ξi为各分段的阻力系数；n为总分段数。

(4)渗透压力分布图。通过计算得到各分段的水头损失后，以渗流出口段开始，逐段向上累加得到整体的水头损失值。从而得到相邻各计算角隅点的渗压水头值。采用直线进行连接各水头代表线段的端点，从而绘制得到渗压水头压力分布图。

(5)进、出口水头损失的修正。从工程实际来看，当进、出口板桩较短时，进出口处的渗流比降线将呈急变曲线的形式。在此情况下，需要对水头进行修正。修正方法如式(7)～式(9)。

(7)

(8)

(9)

因此可以得到修正后的水头损失减小值Δh的计算公式(10)：

Δh=(1-β′)h0

(10)

(6) 出逸比降计算。出口段的出逸比降J的计算见式(11)：

(11)

2 各土层渗透系数

该场区浅部的孔隙潜水补给来源主要是大气降水，以垂直蒸发排泄为主，据室内渗透试验，并结合该区经验，综合提出各土层的渗透系数如表1。

表1 各土层渗透系数

3 改进阻力系数法计算闸基渗流

3.1 渗径长度计算

从地质勘测统计的资料来看，该水利工程的闸室地基的土质主要是砂壤土，砂壤土的透水性相对较大。闸室在底板材料的选择上为钢筋混凝土结构，整体长度为15 m。为了进一步增大渗径，在闸室的上游位置设置了20 m的钢筋混凝土铺盖。并在下游设置了排水反滤设备。从砂壤土层进行渗流长度的考虑，查勃莱系数C=8。该水利工程在正常的蓄水位置上，闸室的上下水位分别为25.78 m和4.80 m。从而可以得到需要的防渗长度为38.40 m，消力池排水管渗径总长43.50 m，可满足要求。

3.2 阻力系数计算

3.2.1 确定有效深度

水平投影L0=43.5 m，垂直投影S0=1.7 m，由此可以得到L0/S0的值为25.6，大于5。根据式(2)可以得到地基的有效深度Te=21.75 m。

通过查看相应的地质资料可知，闸基的轮廓位于第二层，在21.75 m的范围内，没有相对不透水层，可确定有效深度为21.75 m。

3.2.2 地下轮廓简化

按照相应的简化方法进行简化，该水利工程的地下轮廓可简化为九段。

3.3 计算各段阻力系数

根据计算式(3)～式(5)进行各段的阻力系数计算。具体结果如表2所示。

表2 各段阻力系数

3.4 渗透压力计算

分段渗压水头损失值计算如式(12)：

(12)

式中：hi为各分段水头损失值，m；ξi为各分段的阻力系数；n为总分段数；ΔH为水头损失减小值，m。

其中ΔH=4.8 m，通过式(12)计算得到各渗压水头的损失值如表3。

表3 修正前水头损失计算表 m

根据公式(7)～(9)进出口水头损失校正，修正后的水头损失见表4。

表4 修正后的水头损失 m

3.5 各角隅点的渗透水头

各角隅点的渗透水头计算方法为，从上游进口段开始，逐次向下游从作用水头值相继减去各分段水头损失值，计算得到的结果为H0=4.800 m、H1=4.420 m、H2=42.643 m、H3=2.515 m、H4=1.415 m、H5=1.287 m、H6=0.987 m、H7=0.378 m、H8=0.222 m、H9=0 m。

3.6 渗透比降计算

根据公式(11)进行渗透比降计算，计算结果如表5所示。从渗透比降的计算结果来看，出口段与水平段的渗透比降均在允许范围之内，因此地基不会出现渗流现象，地基与底板之间不会出现接触冲刷，满足工程实际要求。

表5 渗流稳定计算结果

4 改进阻力系数法与理论渗流计算法计算结果比较

通过理论渗流计算法得到闸基轮廓线上部分点水头值，与改进阻力系数法计算水头值对比结果如表6所示。各水平段及出口段渗透比降值比较如表7所示。通过表6与表7可知，改进阻力系数法计算结果与理论渗流计算法计算结果在渗流水头值、渗透比降值的计算结果较为相近，计算结果较为可靠。同时理论渗流计算法渗透比降值小于用改进阻力系数法的计算结果，计算结果更能保证工程的稳定性和安全性。

表6 计算水头结果比较 m

表7 各水平段及出口段渗透比降值比较

5 结 论

水闸作为水利水电工程重要基础设施之一，在水资源调配方面发挥着重要的作用，确保水闸的安全稳定至关重要。在水闸的整体安全中，渗流安全占有重要的位置。本文在介绍水闸渗流计算方法的基础上，对渗流计算中的改进阻力系数法进行了详细的分析，并将改进阻力系数法应用在实际工程的水闸渗流计算中。结果表明：改进阻力系数法的计算结果可靠。同时其计算的渗透比降值大于理论渗流计算法，计算结果更能保证工程的稳定性和安全性。具有重要的工程意义。