基于改进阻力系数法的水闸渗流计算分析

刘青林

(招远市大秦家街道办事处农业综合服务中心,山东招远,265400)

1 工程概况

城子水库枢纽工程中输水渠道取水闸为整体开敞式平板闸,闸孔宽8m,高5m,闸门高3.6m,闸墩厚1.6m,顺水流方向长度为15m,底板厚度为1.8m,上下游设1.5m深齿墙。

该取水闸为单孔开敞式闸室,带胸墙,闸室轴线与闸坝轴线交角为135.5°,闸墩厚1m,取水闸与闸坝由分水鱼嘴连接,闸室底板高于上游河底1.1m,形成拦沙坎。顺水流方向长度为6m,底板厚度为1m,上下游设0.6m深齿墙。闸室下游为15.2m长陡坡消力池,陡坡坡比1∶3,经计算,下游产生淹没水跃,按构造设置消力池,深度为0.6m,长度为12.9m,消力池后接12m长混凝土海漫,厚度为0.2m。启闭机采用双吊点卷扬式启闭机,闸室下游设12m宽交通桥,采用C30钢筋混凝土。闸室上部为钢筋混凝土支墩结构,闸房为砖混凝土框架结构;闸坝与取水闸连接处布置枢纽管理房,采用两层砖混凝土框架结构,底层为库房,二层为中控室。

2 基本地质条件

2.1 地形地貌

城子水库工程区地形平坦,所在河流河床两岸为Ⅰ级阶地。干渠渠道轴线约S34°21′W,干渠现进水闸位于Ⅰ级阶地前缘,闸室及其后干渠渠道从阶地阶面上开挖修建,渠道宽约6.0m～12.0m(桥上游为6.0m)。

2.2 地层岩性

2.3 物理地质现象

取水枢纽地形开阔平坦,地势起伏不大,未见大型不良物理地质现象存在,场地的物理地质现象主要表现为水流侵蚀、搬运、堆积。

2.4 水文地质条件

区内地下水为孔隙潜水,赋存于第四系全新统、上更新统砾卵石、砂层中,受平原上游河水、大气降水等补给,于平原下游低处排泄,富水性强,含水层稳定,水量大,地下水位与河水位相近,钻孔内水位埋深约3.60m～3.74m。

2.5 枢纽区土体物理力学建议值

土体物理力学参数建议值以室内试验成果为基础,参考邻近工程取值经验,提出本工程的物理力学参数建议值,详见表1和表2。

表1 地基土体(砂、粉土)级配试验特征值成果

表2 土体物理力学参数建议值

3 渗透比降及渗透压力计算

3.1 第一种情况

正常蓄水位,止水效果良好,上游水深4m,下游无水。

土体的级配及各项指标根据工程地质报告确定,粉细砂和中砂层允许渗透比降为0.25～0.30。

3.1.1 阻力系数计算

地基有效深度按《水闸设计规范》(SL 265-2016)附录C.2计算[1-4]。

计算范围:铺盖起点至闸室末端。

故地基有效深度Te=0.5×59.6=29.8m。

式中,L0为地下轮廓的水平投影长度,m;S0为地下轮廓的垂直投影长度,m;Te为土基上水闸的地基有效深度,m。

3.1.2 分段阻力系数计算

地基有效深度范围内为砂卵石,属强透水层,下文计算中从地面起算的地基透水层深度T=Te=29.8m。

第一段:进口段(铺盖起点)。

齿墙入土深度S=1.6+0.4=2.0m,进口段T=29.8m;

第二段:水平段(闸纵0-042.40～闸纵0-021.60)。

起点齿墙入土深度S1=1.6m,终点齿墙入土深度S2=1.1m,水平长度Lx1=20.8m,铺盖厚0.4m,故该段T=29.8-0.4=29.4m;

第三段:内部垂直段(两块铺盖之间齿墙)。

齿墙入土深度S=1.1m,该段T=29.8-0.4=29.4m;

第四段:水平段(闸纵0-018.40～闸纵0-002.60)。

起点齿墙入土深度S1=1.1m,终点齿墙入土深度S2=2.1m,水平长度Lx2=15.8m,该段T=29.8-0.4=29.4m;

第五段:内部垂直段(铺盖与闸底板之间齿墙)。

齿墙入土深度S=2.1m,该段T=29.8-0.4=29.4m;

第六段:水平段(闸纵0+002.00～闸纵0+011.60,即闸室段)。

起点齿墙入土深度S1=1m,终点齿墙入土深度S2=2m,水平长度Lx3=9.6m,闸室厚1.5m,该段T=29.8-1.5=28.3m;

第七段:出口段(闸室段末端)。

齿墙入土深度S=2.5m,该段T=29.8-1=28.8m;

3.1.3 各段水头损失计算

水头损失之和:ξ=0.467+0.643+0.038+0.461+0.072+0.484+0.479=2.644。

h1=0.467×4÷2.644=0.707m

hx1=0.643×4÷2.644=0.973m

hy1=0.038×4÷2.644=0.057m

hx2=0.461×4÷2.644=0.694m

hy2=0.072×4÷2.644=0.109m

hx3=0.484×4÷2.644=0.732m

h2=0.479×4÷2.644=0.725m

修正后进口段水头损失值:h1'=β'h1=0.630×0.707=0.445m。

修正后出口段水头损失值:h2'=β'h2=0.705×0.725=0.511m。

进出口合计修正后水头损失减小值:△h=0.707+0.725-0.445-0.511=0.476m。

3.1.6 水头损失减小值分摊到水平段

水平段水头损失合计:0.973+0.694+0.732=2.399m。

修正后的水平段水头损失值:2.399+0.476=2.875m。

按长度比例均摊,得到修正后的各水平段水头损失值,本工程中内部垂直段水头损失所占比例很小,计算不考虑分摊。

水平段长度合计:20.8+15.8+9.6=46.2m。

3.1.7 出口段渗透坡降计算

根据《水闸设计规范》(SL 265-2016)附录C.2公式C.2.6计算。

满足上文的允许渗透坡降0.25～0.30的要求,同时满足水闸设计规范要求。

3.1.8 绘制渗透压力分布图形

经计算,各段修正后水头损失值如表3所示。

表3 各段修正后水头损失值

铺盖起点至闸室末端渗透压力分布如图1所示。

图1 闸室末端渗透压力分布

根据以上渗透压力分布图计算单宽闸室部分渗透压力为(面积在CAD中量得):13.3×9.81=130.47kN/m。

3.2 第二种情况

正常蓄水位,止水失效,上游水深4m,下游无水。

3.2.1 阻力系数计算

地基有效深度按《水闸设计规范》(SL 265-2016)附录C.2计算。

计算范围:铺盖起点至闸室末端。

因内部垂直段太短,故计算忽略齿墙的影响,视闸底板为1.5m等厚板[5-10]。

从图纸上量得L0=14.6m,S0=1.5m;L0/S0=9.73>5;

故地基有效深度Te=0.5×14.6=7.3m(初设地质未揭穿覆盖层,计算视为无限深)。

3.2.2 分段阻力系数计算

地基有效深度范围内为砂卵石,属强透水层,下文计算中从地面起算的地基透水层深度T=Te=7.3m。

第一段:进口段(闸室起点)。

齿墙入土深度S=1.5m,进口段T=7.3m;

第二段:水平段(闸纵0+000.00～闸纵0+014.60)。

起点齿墙入土深度S1=0m,终点齿墙入土深度S2=0m,水平长度Lx=14.6m,闸底板厚1.5m,故该段T=7.3-1.5=5.8m;

第三段:出口段(闸室末端)。

齿墙入土深度S=1.5m,该段T=7.3m;

3.2.3 各段水头损失计算

水头损失之和:ξ=0.581+2.517+0.581=3.679。

h1=0.581×4÷3.679=0.632m

hx=2.517×4÷3.679=2.736m

h2=0.581×4÷3.679=0.632m

修正后进口段水头损失值:h1'=β'h1=0.815×0.632=0.515m。

修正后出口段水头损失值:h2'=β'h2=0.815×0.632=0.515m;

进出口合计修正后水头损失减小值:△h=0.632+0.632-0.515-0.515=0.234m。

3.2.6 水头损失加到水平段

h'x1=0.234+2.736=2.970m

3.2.7 出口段渗透坡降计算

根据《水闸设计规范》(SL 265-2016)附录C.2公式C.2.6计算。

不满足上文的允许渗透坡降0.25～0.30的要求,但满足水闸设计规范要求,应避免止水失效的情况出现,否则闸基容易发生管涌破坏。

4 结论

本文以城子水库输水水闸为研究对象,采用改进阻力系数法计算得到了该水闸在止水失效前后两种运行工况下的渗透比降和渗透压力。发现:(1)在正常蓄水位+止水效果良好+上游水深4m+下游无水时,闸基的渗透坡降仅为0.204,小于允许渗透坡降0.25～0.30,渗透压力为130.47kN/m,同时满足水闸设计规范要求,水闸是安全的;(2)在正常蓄水位+止水失效+上游水深4m+下游无水时,闸基的渗透坡降为0.343,大于允许渗透坡降。说明该水闸的止水失效后,闸基容易发生管涌破坏,应尽量避免出现止水失效的运行情况,保证水闸的安全运行。