改進阻力系數(shù)法在水閘滲流計算中的運用

張 亞 李乃回 代 晴

（徐州市水利建筑設(shè)計研究院 徐州 221000）

改進阻力系數(shù)法在水閘滲流計算中的運用

張 亞 李乃回 代 晴

（徐州市水利建筑設(shè)計研究院 徐州 221000）

閘基滲流是水閘設(shè)計的一個重要內(nèi)容。對于閘基的防滲設(shè)計，《水閘設(shè)計規(guī)范》（S L265-2001）推薦改進阻力系數(shù)法或流網(wǎng)法進行防滲計算。文章主要闡述了改進阻力系數(shù)法在豐縣黃樓閘除險加固工程中閘基滲流計算中的運用，通過闡述改進阻力系數(shù)法的基本原理、地下輪廓線的布置并進行相關(guān)的滲流計算，最后得出結(jié)論，該設(shè)計滿足規(guī)范要求。

水閘 滲流系數(shù) 滲流坡降 改進阻力系數(shù)法

1 工程概況

復(fù)新河是南四湖湖西一條流域性河道，發(fā)源于安徽省碭山縣玄帝廟村西，沿廢黃河北堤東流至董莊東北流入豐縣，縱貫豐縣境內(nèi)，下游經(jīng)山東省魚臺縣于西姚村流入昭陽湖，豐縣境內(nèi)長度53.9km，流域面積1098km2。復(fù)新河是縱貫豐縣南北的一條主要排澇河道，主要有太行堤河、蘇北堤河、西支河、子午河、苗城河等14條支流。1973年淮委劃定復(fù)新河流域總面積1812km2，其中安徽境內(nèi)170 km2，山東境內(nèi)459km2，江蘇境內(nèi)豐縣1098km2，沛縣85km2。復(fù)新河分三個梯級，從下至上分別為李樓閘站、豐城閘站及黃樓閘。

黃樓閘位于復(fù)新河上游，宋樓鎮(zhèn)黃樓村北，承擔(dān)上游116.8km2排澇和2萬畝農(nóng)田灌溉任務(wù)，是復(fù)新河第三級梯級控制工程，具有防洪、排澇、蓄水、灌溉等多種功能。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）以及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014），確定黃樓閘設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。黃樓閘為中型涵閘，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物的級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。黃樓閘水位流量見表1。

表1 黃樓閘水位流量表

2 工程總體布置

黃樓閘為鋼筋混凝土開敞式水閘，共3孔，每孔8m，工作橋、檢修便橋布置在閘室上游側(cè)，交通橋布置在閘室下游側(cè)，閘室兩側(cè)分別設(shè)置樓梯間及控制室。閘室底板頂高程37.80m，閘頂高程43.00m，閘室底板順?biāo)鞣较蜷L15.0m，垂直水流方向總長28.40m；閘室上游鋪蓋長15m，頂高程37.80m，厚度0.5m。下游消力池總長26.00m，池深0.9m，池厚0.8m，高程為35.40m，消力池水平段設(shè)Φ10cm冒水孔。閘基底板布置見圖1。

圖1 閘基底板布置圖

3 滲流穩(wěn)定計算

3.1 計算條件

當(dāng)上游水位為41.00m，下游水位為37.00m的最不利水位組合時，對閘基將產(chǎn)生最為不利的滲透作用，故選擇該工況作為防滲計算工況。

3.2 滲流計算

根據(jù)地質(zhì)報告，場地內(nèi)第①層砂壤土、②層粉砂的滲透變形破壞形式均為流土破壞，建議允許水力比降分別為0.30、0.25。

該工程正向防滲設(shè)施采用閘上游設(shè)置鋼筋混凝土鋪蓋，鋪蓋長度15m，厚0.5m。同時在鋪蓋前段套打雙排水泥土攪拌樁截滲墻，樁底高程25.0m，穿粉砂土層，入壤土層1m，截滲墻28d滲透系數(shù)不大于A×10-6cm/s。

側(cè)向繞滲設(shè)計上游翼墻前段同樣套打雙排水泥土攪拌樁截滲墻，與鋪蓋截滲墻連接，樁底高程25.0m，穿粉砂土層，入壤土層1m。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001），運用改進阻力系數(shù)法進行滲流計算（見圖2），計算各典型段的阻力系數(shù)，并計算各典型段的滲壓水頭損失。

3.2.1 地基有效深度計算

按照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）C.2.1土基上水閘的地基有效深度可按公式（C.2.1-1）或（C.2.1-2）計算：

式中：Te—土基上水閘的地基有效深度（m）；

L0—地下輪廓的水平投影長度（m）；

S0—地下輪廓的垂直投影長度（m）。

當(dāng)計算的Te值大于地基實際深度時，Te值應(yīng)按地基實際深度采用。

3.2.2 分段阻力系數(shù)計算

按照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）C.2.2分段阻力系數(shù)可按公式（C.2.2-1）～（C.2.2-3）計算：

a.進、出口段（見圖3C.2.2-1）

式中：ξ0—進、出口段的阻力系數(shù)；

S—板樁或齒墻的入土深度（m）；

T—地基透水層深度（m）。

b.內(nèi)部垂直段（見圖3C.2.2-2）

式中：ξy—內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

c.水平段（見圖3C.2.2-3）

式中：ξx—水平段的阻力系數(shù)；

Lx—水平段長度（m）；

S1、S2—進、出口段板樁或齒墻的入土深度（m）。

（1）進口段：

（3）鋪蓋垂直段：

（6）消力池傾斜段：

3.2.3 滲透壓力計算

閘上水位：41.00m；閘下水位：37.00m。

因此：ΔH=41.00-37.00=4.00m。

按照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）C.2.3各分段水頭損失值可按公式（C.2.3）計算：

式中：hχ—各分段水頭損失值（m）；

ai—各分段的阻力系數(shù)；

n—總分段數(shù)。

計算得到每一段的滲壓水頭損失，見表2。

圖2 滲流計算簡圖

圖3 C.2.2-1

圖3 C.2.2-2

圖3 C.2.2-3

3.2.4 進、出口段水頭損失修正

3.2.4.1 進、出口段水頭損失值和滲透壓力分布圖形可按下列方法進行局部修正：

a.進、出口段修正后的水頭損失值可按公式（C.2.4-1）～（C.2.4-3）計算（見圖4C.2.4-1）

表2 每一段滲壓水頭損失值表

表3 滲流穩(wěn)定計算成果表

圖4 C.2.4-1

h0—進、出口段水頭損失值（m）；

β'—阻力修正系數(shù)，當(dāng)計算的β'≥1.0時，采用β'=1.0；

S'—底板埋深與板樁入土深度之和（m）；

T'—板樁另一側(cè)地基透水層深度（m）。

b.修正后水頭損失的減小值，可按公式（C.2.4-4）計算

式中：Δh—修正后水頭損失的減小值（m）。

c.水力坡降呈急變形式的長度可按公式（C.2.4-5）計算：

d.進口段水頭損失修正

不需要修正。

e.出口段滲透壓力分布圖形可按下列方法進行修正見圖4C.2.4-2

圖4 C.2.4-2

圖4C.2.4-2中的QP'為原有水力坡降線，根據(jù)公式（C.2.4-3）和（C.2.4-4）和公式（C.2.4-5）計算的Δh和L'x值，分別定出P點和O點，連接QOP，即為修正后的水力坡降線。

3.2.4.2 進、出口段齒墻不規(guī)則部位可按下列方法進行修正（見圖5C.2.5-1和圖5C.2.5-2）

圖5 C.2.5-1

圖5 C.2.5-2

a.當(dāng)hx≥Δh時，可按公式（C.2.5-1）進行修正

式中：hx—水平段的水頭損失值（m）；—修正后的水平段水頭損失值（m）。

b.當(dāng)hx＜Δh時，可按下列兩種情況分別進行修正

（1）若hx+hy≥Δh，可按公式（C.2.5-2）和公式（C.2.5-3）進行修正

式中：hy—內(nèi)部垂直段的水頭損失失值（m）；—修正后的內(nèi)部垂直段水頭損失值（m）。

（2）若hx+hy＜Δh，可按公式（C.2.5-2），公式（C.2.5-4）和公式（C.2.5-5）進行修正

式中：hcd—圖C.2.5-1和圖C.2.5-2中CD段的水頭損失值（m）；—修正后的CΡ段水頭損失值（m）。

以直線連接修正后的各分段計算點的水頭值，即得修正后的滲透壓力分布圖形。

c.出口段水頭損失修正

應(yīng)予以修正。

出口段水頭損失減小值為：Δh10=0.530-0.080=0.449m

因為h9+h8＜Δh10，因此出口齒墻垂直段、齒墻水平段及消力池水平段水頭損失修正如下：，。

滲流穩(wěn)定計算成果見表3。經(jīng)過驗算，無誤。

3.2.5 閘底板滲透坡降和滲流出口處坡降

C.2.6出口段滲流坡降值可按公式（C.2.6）計算：

式中：J—出口段滲流坡降值。

滲流出口平均坡降J0=0.322＜1.3[J0]=1.3×0.25=0.325

閘底板水平段平均滲透坡降JX=0.040＜1.3[JX]=1.3× 0.15=0.195

鋪蓋底板水平段平均滲透坡降JX=0.039＜1.3[JX]=1.3× 0.15=0.195

側(cè)向防滲：閘室回填土采用砂壤土，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，砂壤土允許滲透長度系數(shù)9，需要防滲長度36m，根據(jù)布置水閘側(cè)向防滲長度為69.2m，滿足防滲要求

（專欄編輯：顧 梅）