滲流區(qū)簡化方法對閘基滲流計(jì)算結(jié)果的影響分析

丁秀英，余晗碩

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038）

0 引言

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）規(guī)定，土基上水閘基底滲透壓力計(jì)算可采用改進(jìn)阻力系數(shù)法或流網(wǎng)法［1］。 改進(jìn)阻力系數(shù)法是在阻力系數(shù)法、獨(dú)立函數(shù)法、分段法等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有較高精度的近似流體力學(xué)的方法，被廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行水閘防滲計(jì)算時(shí)， 閘基地下輪廓線的簡化給部分工程技術(shù)人員帶來一定的困惑。 筆者試以河南省郟縣梁莊攔河閘為例， 對閘基地下輪廓線不同簡化方法的滲流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析， 以期供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 工程概況

梁莊攔河閘是20 世紀(jì)70 年代建造的， 原為5孔水力自控翻板閘門， 主要任務(wù)以灌溉為主。 枯水期，關(guān)閉閘門，可以抬高閘上游水位，增加河道攔蓄水量，補(bǔ)充地下水，利于灌溉；汛期，打開閘門，可以保證安全下泄上游洪水。 2012 年，有關(guān)部門對該閘進(jìn)行安全鑒定， 發(fā)現(xiàn)其泄洪能力已不能滿足防洪要求，需對其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。2014 年，相關(guān)單位對梁莊攔河閘進(jìn)行了重建。 重建后的梁莊攔河閘采用平板鋼閘門，為Ⅲ等工程，永久的主要建筑物工程等級為3 級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，最大過閘流量為950 m3／s，枯水期正常蓄水位為103.37 m，攔蓄水量為20 萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積為2 500 畝。 該閘閘址處，地震動峰值加速度為0.05 g，地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合比選后，擬定除險(xiǎn)加固的具體方案為：新建攔河閘共有7 孔，閘室分三聯(lián)，其中邊聯(lián)為2孔、中聯(lián)為3 孔。 閘門尺寸（寬×高）為5.5 m×4.0 m。 閘室段長為15 m，底板頂面高程為99.87 m，底板厚1.5 m，上、下游齒墻寬、深均設(shè)為1.5 m，板樁長為5 m。 上下游水位差ΔH＝3.5 m。閘室鋪蓋段長為20 m，采用混凝土結(jié)構(gòu)，上、下游均設(shè)置淺齒墻，齒墻寬、深均設(shè)為0.5 m。 消力池底板厚度擬定為1.2 m， 下設(shè)導(dǎo)滲反濾層。 梁莊攔河閘防滲布置如圖1 所示。

2 閘基地下輪廓線的簡化

根據(jù)圖1 可計(jì)算出該水閘閘基地下輪廓線的垂直投影長度S0＝8 m，水平投影長度L0＝35 m。

2.1 簡化方法一

圖1 水閘防滲布置圖（單位：m）Fig.1 Sluice impermeable layout （Unit：m）

對閘基地下輪廓線的內(nèi)部傾斜段簡化后， 將其分為14 段，如圖2 所示，分段名稱和編號如表1 所示。 經(jīng)計(jì)算得知， 地下輪廓線各段長度分別為：L1＝0.8 m、L2＝0.5 m、L3＝0.5 m、L4＝18 m、L5＝0.5 m、L6＝0.5 m、L7＝5.2 m、L8＝3.0 m、L9＝1.5 m、L10＝1.5 m、L11＝9.0 m、L12＝1.5 m、L13＝1.5 m、L14＝1.5 m。

圖2 簡化方法一閘基地下輪廓線簡化圖（單位：m）Fig.2 Simplified outline of sluice base underground configuration of method No.1 （Unit：m）

表1 簡化方法一各段滲透壓力水頭損失Tab.1 Seepage pressure water head loss of each section of simplified method No.1

因L0/S0＜5，所以土基上水閘的有效深度Te按公式（1）計(jì)算［2］。

式中：Te為水閘的有效深度，m；L0為地下輪廓的水平投影長度，m；S0為地下輪廓的垂直投影長度，m。

經(jīng)計(jì)算，Te＝19.44 m。 因T實(shí)際＝20 m＞19.44 m，所以，地基透水層計(jì)算深度取19.44 m。

地基透水層計(jì)算深度確定后， 計(jì)算各段的阻力系數(shù)。

（1）進(jìn)、出口段阻力系數(shù)。進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)可用式（2）計(jì)算［3］。

式中：ξ1為進(jìn)、 出口段的阻力系數(shù)；S 為板樁或齒墻的入土深度，m，此處取0.80；T 為地基透水層計(jì)算深度值，m。

（2）水平段的阻力系數(shù)。水平段的阻力系數(shù)可按式（3）計(jì)算［4］。

式中：ξ2為水平段的阻力系數(shù)；Lx為水平段長度，m；S1、S2分別為進(jìn)、 出口段板樁或齒墻的入土深度，m，此處均為0；T 為地基透水層計(jì)算深度，m。

（3）垂直段的阻力系數(shù)計(jì)算。垂直段的阻力系數(shù)可用式（4）計(jì)算［5-6］。

式中：ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)；S 為板樁或齒墻的入土深度，m；T 為地基透水層計(jì)算深度，m。

經(jīng)計(jì)算，各段的阻力系數(shù)如表1 所示。 進(jìn)、出口段阻力系數(shù)修正如表2 所示。

2.2 簡化方法二

對閘基地下輪廓線的內(nèi)部傾斜段和閘底板上游齒墻進(jìn)行簡化， 并將地下輪廓線分為12 個(gè)典型流段，如圖3 所示，分段名稱和編號如表3 所示。 地下輪廓線各段長度分別為：L1＝0.8 m、L2＝0.5 m、L3＝0.5 m、L4＝18 m、L5＝0.5 m、L3＝0.5 m、L7＝5.2 m、L8＝3.0 m、L9＝12.0 m、L10＝1.5 m、L11＝1.5 m、L12＝1.5 m。 各段滲透壓力水頭損失計(jì)算方法同前，計(jì)算結(jié)果如表3 和表4 所示。

表2 簡化方法一進(jìn)、出口段的水頭損失修正表Tab.2 Water head loss correction of inlet and outlet sections of simplified method No.1

圖3 簡化方法二閘基地下輪廓線簡化圖（單位：m）Fig.3 Simplified outline of sluice base underground configuration of method No.2 （Unit：m）

表3 簡化方法二各段滲透壓力水頭損失Tab.3 Seepage pressure water head loss of each section of simplified method No.2

表4 簡化方法二進(jìn)、出口段的水頭損失修正表Tab.4 Water head loss correction of inlet and outlet sections of simplified method No.2

2.3 簡化方法三

將閘基地下輪廓線的內(nèi)部傾斜段和閘底板上游齒墻簡化后， 將地下輪廓線分為10 個(gè)典型流段，如圖4 所示， 分段名稱和編號如表5 所示。 經(jīng)計(jì)算可知， 地下輪廓線各段長度分別為：L1＝0.8 m、L2＝0.5 m、L3＝0.5 m、L4＝19 m、L5＝5.2 m、L6＝3.0 m、L7＝12.0 m、L8＝1.5 m、L9＝1.5 m、L10＝1.5 m。 各段滲透壓力水頭損失計(jì)算方法同前，計(jì)算結(jié)果如表5 和表6 所示。

圖4 簡化方法三閘基地下輪廓線簡化圖（單位：m）Fig.4 Simplified outline of sluice base underground configuration of method No.3 （Unit：m）

表5 簡化方法三各段滲透壓力水頭損失Tab.5 Seepage pressure water head loss of each section of simplified method No.3

表6 簡化方法三進(jìn)、出口段的水頭損失修正表Tab.6 Water head loss correction of inlet and outlet sections of simplified method No.3

2.4 三種簡化方法的比較

針對上述三種簡化方法，用式（5）計(jì)算閘基滲流各段的滲透壓力和坡降，結(jié)果如表7 所示。

式中：J 為滲透壓力坡降；L 為水平長度，m；h′i為消散水頭值，m。

表7 三種簡化方法各段水力坡降值對比情況Tab.7 Hydraulic slope value comparison of each section of three division methods

由表7 可以看出， 簡化方法一劃分的段數(shù)較多（14 段），與工程實(shí)際吻合度較高，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，但計(jì)算相對復(fù)雜。 簡化方法二劃分了12 段，與實(shí)際地基情況有差別，與簡化方法一相比，其內(nèi)部垂直段7-8 段和水平段10-11 段的水力坡降分別減少了16.129 0%和37.785 0%， 其余9 段的水力坡降增加了3.731 3%～3.874 7%。 簡化方法三劃分了10 段，計(jì)算也更簡單了，但簡化變形較大，與實(shí)際情況差別較大，其中內(nèi)部垂直段7-8 段、內(nèi)部水平段3-4 段、水平段10-11 段的水力坡降分別減少了9.677 4%、15.756 6%、32.899 0%，垂直段6-7 段的水力坡降增加了6.944 4%，其他6 段的水力坡降增加值均大于11.567 2%。

3 結(jié)語

利用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行水閘基底和側(cè)向滲流計(jì)算時(shí)，地下輪廓線和繞滲輪廓線可適當(dāng)簡化，但不宜過分簡化， 尤其是閘底板上游齒墻和鋪蓋下游側(cè)齒墻部分的劃分不易簡化。否則，將對水力坡降的計(jì)算結(jié)果影響很大，從而使計(jì)算數(shù)據(jù)失真，以致造成水閘滲流穩(wěn)定分析判斷錯(cuò)誤。