延長反濾在水閘消力池前端的應(yīng)用分析

朱必方，高焱哲

(廣州市宏濤水務(wù)勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510405)

1 概述

根據(jù)水閘消力池[1]的結(jié)構(gòu)和其運(yùn)行工況，消力池底板穩(wěn)定取決于底板所承受水的壓重，底板自重和底板揚(yáng)壓力[2]、水躍引起的脈動(dòng)壓力[3]。低水頭水閘消力池前端底板隆起的原因主要是泄水時(shí)消力池前端產(chǎn)生的水躍使得消力池底板前后水的壓重產(chǎn)生不平衡力矩，且前端沒有布設(shè)排水孔，當(dāng)揚(yáng)壓力和脈動(dòng)壓力的合力矩超過消力池底板的抗傾覆力矩，使得底板上抬隆起[4]。茹建輝[5]指出，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明第4.3.8條的不當(dāng)在于只強(qiáng)調(diào)了靠前布置排水孔可能存在較大的滲透比降，會(huì)使得反濾層遭受破壞從而引起結(jié)構(gòu)破壞。但是忽視了排水孔自身承擔(dān)減少基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力，增大工程穩(wěn)定的安全度和降低工程造價(jià)的重要功能。如何正確處理排水孔布設(shè)和消力池前端安全穩(wěn)定，成為消力池設(shè)計(jì)及應(yīng)用中的疑難點(diǎn)。

2 水閘基本情況

松柏頭水閘設(shè)計(jì)上游銜接段長36 m，其中拋石護(hù)底長為5.00 m，厚為0.50 m，混凝土護(hù)底長為10.00 m，厚為1.00 m。水閘閘室段長為10.00 m，厚為1.00 m，水閘底板高程為6.20 m。閘門為平面鋼閘門[6]，共計(jì)3孔，每孔尺寸為6.00 m×4.50 m。消力池斜坡段長為4.00 m，厚為1.10 m，消力池水平段長為16.00 m，厚為1.10 m。現(xiàn)狀橋?qū)? m。下游銜接段長為25.00 m，拋石護(hù)底厚為0.50 m。水閘平面示意見圖1，剖面示意見圖2。

圖1 松柏頭水閘平面示意

圖2 松柏頭水閘剖面示意

水閘閘基土層從上至下分別為細(xì)砂層(頂板高程為6.30～7.20 m，底板高程為0.30～2.70 m，揭露層厚為3.60～5.80 m。不均勻系數(shù)1.60，曲率系數(shù)0.89，滲透性等級為中等透水，流土型，允許水力坡降0.18)、粗砂層(頂板高程為0.30～2.70 m，底板高程為-3.80～-2.00 m，揭露層厚為2.90～5.60 m。不均勻系數(shù)5.08，曲率系數(shù)0.93，滲透性等級為強(qiáng)透水，管涌型，允許水力坡降0.15)、粉質(zhì)粘土及粘土層(頂板高程為-3.80～-2.00 m，底板高程為-10.00～-10.30 m，揭露層厚為6.20～8.00 m。孔隙比0.86，含水率27.33%，滲透性等級為弱透水，流土型，允許水力坡降0.47)，主要的透水層為細(xì)砂層及粗砂層，其主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層主要參數(shù)

3 反濾排水布設(shè)模型

為了分析消力池底板反濾及排水不同布設(shè)方案滲透比降、滲漏量及安全穩(wěn)定系數(shù)的影響，本文利用有限元滲流對正常布設(shè)反濾+躍后水深下布設(shè)排水孔、延長布設(shè)反濾+躍后水深下布設(shè)排水孔、正常布設(shè)反濾+收縮水深下布設(shè)排水孔3種布置形式進(jìn)行計(jì)算。

躍后水深下布設(shè)排水孔模型的排水孔布置于躍后水深計(jì)算點(diǎn)下的消力池4.0 m范圍，正常布設(shè)反濾為排水孔兩側(cè)0.50 m布設(shè)最內(nèi)側(cè)反濾層，延長布設(shè)反濾為排水孔上游水平段下滿布反濾層，收縮水深下布設(shè)排水孔模型的排水孔布置于收縮水深計(jì)算點(diǎn)下的消力池4.0 m范圍。

反濾布設(shè)分為3層，第1層反濾為0.30 m厚中砂層，第2層反濾為0.30 m厚粗砂層，第3層反濾為0.30 m厚碎石層(如圖3所示)。

圖3 反濾排水布設(shè)模型示意

4 水面線簡化模型

設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，流量為220.18 m3/s，對應(yīng)上游水位為10.20 m(珠基高程，下同)，下游水位為9.40 m。現(xiàn)狀水閘上游左、右岸各有一個(gè)灌溉取水口，設(shè)計(jì)灌溉水位為9.20 m。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范并結(jié)合水閘管理人員的管理經(jīng)驗(yàn)，選取水位組合情況(見表2)。

表2 水位組合工況 m

駱冠勇等[8]指出，斜坡連接段上水躍的發(fā)生不僅改變連接段底板上面水的壓重，也改變了滲流場的邊界，間接影響了底板下部的揚(yáng)壓力。尤其當(dāng)連接段底板上設(shè)有排水減壓孔時(shí)，水躍對滲流的干擾作用更加明顯。對于消力池底板，安全穩(wěn)定計(jì)算需考慮水躍對水面線的影響。

按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 365—2016)附錄B進(jìn)行消能防沖計(jì)算，根據(jù)多種工況計(jì)算結(jié)果，選定消力池深度為1.00 m，斜坡段長度為4.00 m，水平段長度為16.00 m，水躍要素計(jì)算結(jié)果參數(shù)見表3。

表3 水躍要素計(jì)算結(jié)果

折坡水躍分為A、B、C、D 4種類型，B型水躍是指一部分發(fā)生在斜坡段另一部分發(fā)生在坡底水平段的水躍，松柏頭水閘消力池斜坡段坡比1∶4，楊清[9]指出，0<θ<19°時(shí)，帶有平底段的斜底渠槽屬于B型水躍。為了計(jì)算簡化，考慮模型采用A型水躍替代，減小了消力池底板上水的重量，增加了滲透比降，使得計(jì)算結(jié)果偏于安全。

根據(jù)水躍要素計(jì)算結(jié)果，水躍長度分別為15.83 m、14.92 m及9.45 m，方便模擬，水躍長度簡化為16.00 m，16.00 m及10.00 m，計(jì)算閘前水位、閘后水位、收縮水深、躍后水深及下游水位[10]，通過線性關(guān)系簡化松柏頭水閘水躍后水面線成果，簡化后的水面線情況見圖4所示。

圖4 水面線簡化模型示意

5 滲流計(jì)算

采用理正巖土滲流分析軟件，土層滲透系數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告并結(jié)合《堤防工程手冊》選取，細(xì)砂層取4.15 m/d，粗砂層取35.00 m/d，反濾中砂層取7.30 m/d，反濾粗砂層取34.56 m/d，反濾碎石層取518.4 m/d。工況1各反濾排水布置流網(wǎng)示意見圖5，總水頭各點(diǎn)計(jì)算值示意見圖6，各點(diǎn)比降計(jì)算值示意見圖7。

圖5 工況1流網(wǎng)示意

圖6 工況1總水頭各點(diǎn)計(jì)算值示意

圖7 工況1各點(diǎn)比降計(jì)算值示意

6 結(jié)果分析

工況1情況下，當(dāng)采用正常反濾+躍后水深布設(shè)的排水形式，消力池前段底板承受的揚(yáng)壓力為382.20 kN，最大水平段滲透比降為0.11，當(dāng)采用延長反濾+躍后水深布設(shè)的排水形式，消力池前段底板承受的揚(yáng)壓力為370.83 kN，最大水平段滲透比降為0.12，當(dāng)采用正常反濾+收縮水深布設(shè)的排水形式，消力池前段底板承受的揚(yáng)壓力為197.27 kN，最大水平段滲透比降為0.38。在消力池底板前端布設(shè)排水孔釋放滲透壓力的效果非常明顯，但釋放滲透壓力的同時(shí)，滲透比降增加明顯，容易產(chǎn)生滲透破壞。

根據(jù)不同濾排水形式及不同水位組合共計(jì)12種滲流計(jì)算結(jié)果，形成滲流主要計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 滲流主要計(jì)算結(jié)果

消力池前段斷面4種水位組合下水深分別為1.95～1.49～2.63 m、1.49～0.70～1.66 m、0～0.50 m、0.50～0.20～0.93 m，根據(jù)計(jì)算4種水位組合下消力池前段水的壓重分別為198.55 kN、111.92 kN、39.20 kN、46.94 kN。

消力池前段底板厚1.10 m，自重為288.75 kN。

消力池前段斷面3種水位組合下平均流速分別為6.36 m/s、5.26 m/s、3.44 m/s，根據(jù)工況1、工況2及工況4下脈動(dòng)壓力[12]分別為67.36 kN、46.15 kN、19.78 kN。

消力池底板安全穩(wěn)定取決于底板所承受水的壓重W，底板自重G和底板揚(yáng)壓力U、水躍引起的脈動(dòng)壓力P。抗傾覆安全系數(shù)K1=(MW+MG)/(MU+MP)，抗浮[13]安全系數(shù)K2=(W+G)/(U+P)，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，消力池底板抗浮安全系數(shù)可取1.00～1.20，結(jié)合本工程重要性及級別、地基條件、計(jì)算情況等抗傾覆、抗浮正常運(yùn)行工況安全系數(shù)取1.10，非常運(yùn)行工況安全系數(shù)取1.00，工況1、工況2、工況3、工況4均為正常運(yùn)行工況。安全穩(wěn)定計(jì)算成果見表5。

表5 安全穩(wěn)定計(jì)算成果

采用正常反濾+收縮水深布設(shè)的排水形式，工況1抗浮安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.08，不滿足需大于1.10的要求。采用延長反濾+躍后水深布設(shè)的排水形式，滲透壓力減小2.97%～16.88%(與采用正常反濾+收縮水深布設(shè)的排水形式對比，下同)，滲漏量增大15.39%～57.38%，最大水平滲透比降變化范圍為-9.09%～22.22%，安全系數(shù)增大2.78%～20.57%。采用正常反濾+收縮水深布設(shè)的排水形式，滲透壓力減小31.38%～71.84%(與采用正常反濾+收縮水深布設(shè)的排水形式對比，下同)，滲漏量增大24.79%～1 506.69%，最大水平滲透比降增大23.08%～263.64%，安全系數(shù)增大45.93%～190.07%。

松柏頭水閘消力池反濾及排水方案通過對比分析，收縮水深下布設(shè)排水孔方案的最大水平滲透比降為0.38、0.40、0.16及0.31，均大于允許限值0.15，為保證滲透安全，不考慮該反濾排水方案。在滲漏量增加0.21～0.89 m3/d的前提下，選用延長反濾+躍后水深布設(shè)的排水形式，消力池的安全穩(wěn)定系數(shù)增加了0.03～0.41，且使得抗浮安全系數(shù)由不滿足正常運(yùn)行工況要求的1.08變化至滿足要求的1.10。

7 結(jié)語

為了協(xié)調(diào)消力池底板滲透壓力和排水孔附近土層滲透比降問題，通過正常反濾、延長反濾與躍后水深、收縮水深布設(shè)排水的組合研究，延長反濾在不改變消力池底板厚度的情況下可以實(shí)現(xiàn)抗傾覆、抗浮安全與滲透安全。

1) 收縮水深下布設(shè)排水孔的排水形式，大大減小了滲透壓力，但容易產(chǎn)生滲透破壞。

2) 結(jié)合工程實(shí)際情況采用延長反濾+躍后水深布設(shè)的排水形式，可以作為少量提高抗傾覆、抗浮安全系數(shù)的一種方案。

3) 延長反濾提高抗傾覆、抗浮安全系數(shù)的同時(shí)，也增加了水平段的滲透比降，使得適用范圍受限制。