基于改進(jìn)阻力系數(shù)法的水閘滲流計(jì)算分析

劉青林

(招遠(yuǎn)市大秦家街道辦事處農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心,山東招遠(yuǎn),265400)

1 工程概況

城子水庫樞紐工程中輸水渠道取水閘為整體開敞式平板閘,閘孔寬8m,高5m,閘門高3.6m,閘墩厚1.6m,順?biāo)鞣较蜷L度為15m,底板厚度為1.8m,上下游設(shè)1.5m深齒墻。

該取水閘為單孔開敞式閘室,帶胸墻,閘室軸線與閘壩軸線交角為135.5°,閘墩厚1m,取水閘與閘壩由分水魚嘴連接,閘室底板高于上游河底1.1m,形成攔沙坎。順?biāo)鞣较蜷L度為6m,底板厚度為1m,上下游設(shè)0.6m深齒墻。閘室下游為15.2m長陡坡消力池,陡坡坡比1∶3,經(jīng)計(jì)算,下游產(chǎn)生淹沒水躍,按構(gòu)造設(shè)置消力池,深度為0.6m,長度為12.9m,消力池后接12m長混凝土海漫,厚度為0.2m。啟閉機(jī)采用雙吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī),閘室下游設(shè)12m寬交通橋,采用C30鋼筋混凝土。閘室上部為鋼筋混凝土支墩結(jié)構(gòu),閘房為磚混凝土框架結(jié)構(gòu);閘壩與取水閘連接處布置樞紐管理房,采用兩層磚混凝土框架結(jié)構(gòu),底層為庫房,二層為中控室。

2 基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

城子水庫工程區(qū)地形平坦,所在河流河床兩岸為Ⅰ級(jí)階地。干渠渠道軸線約S34°21′W,干渠現(xiàn)進(jìn)水閘位于Ⅰ級(jí)階地前緣,閘室及其后干渠渠道從階地階面上開挖修建,渠道寬約6.0m～12.0m(橋上游為6.0m)。

2.2 地層巖性

2.3 物理地質(zhì)現(xiàn)象

取水樞紐地形開闊平坦,地勢(shì)起伏不大,未見大型不良物理地質(zhì)現(xiàn)象存在,場地的物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為水流侵蝕、搬運(yùn)、堆積。

2.4 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水為孔隙潛水,賦存于第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)礫卵石、砂層中,受平原上游河水、大氣降水等補(bǔ)給,于平原下游低處排泄,富水性強(qiáng),含水層穩(wěn)定,水量大,地下水位與河水位相近,鉆孔內(nèi)水位埋深約3.60m～3.74m。

2.5 樞紐區(qū)土體物理力學(xué)建議值

土體物理力學(xué)參數(shù)建議值以室內(nèi)試驗(yàn)成果為基礎(chǔ),參考鄰近工程取值經(jīng)驗(yàn),提出本工程的物理力學(xué)參數(shù)建議值,詳見表1和表2。

表1 地基土體(砂、粉土)級(jí)配試驗(yàn)特征值成果

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)建議值

3 滲透比降及滲透壓力計(jì)算

3.1 第一種情況

正常蓄水位,止水效果良好,上游水深4m,下游無水。

土體的級(jí)配及各項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告確定,粉細(xì)砂和中砂層允許滲透比降為0.25～0.30。

3.1.1 阻力系數(shù)計(jì)算

地基有效深度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2計(jì)算[1-4]。

計(jì)算范圍:鋪蓋起點(diǎn)至閘室末端。

故地基有效深度Te=0.5×59.6=29.8m。

式中,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;Te為土基上水閘的地基有效深度,m。

3.1.2 分段阻力系數(shù)計(jì)算

地基有效深度范圍內(nèi)為砂卵石,屬強(qiáng)透水層,下文計(jì)算中從地面起算的地基透水層深度T=Te=29.8m。

第一段:進(jìn)口段(鋪蓋起點(diǎn))。

齒墻入土深度S=1.6+0.4=2.0m,進(jìn)口段T=29.8m;

第二段:水平段(閘縱0-042.40～閘縱0-021.60)。

起點(diǎn)齒墻入土深度S1=1.6m,終點(diǎn)齒墻入土深度S2=1.1m,水平長度Lx1=20.8m,鋪蓋厚0.4m,故該段T=29.8-0.4=29.4m;

第三段:內(nèi)部垂直段(兩塊鋪蓋之間齒墻)。

齒墻入土深度S=1.1m,該段T=29.8-0.4=29.4m;

第四段:水平段(閘縱0-018.40～閘縱0-002.60)。

起點(diǎn)齒墻入土深度S1=1.1m,終點(diǎn)齒墻入土深度S2=2.1m,水平長度Lx2=15.8m,該段T=29.8-0.4=29.4m;

第五段:內(nèi)部垂直段(鋪蓋與閘底板之間齒墻)。

齒墻入土深度S=2.1m,該段T=29.8-0.4=29.4m;

第六段:水平段(閘縱0+002.00～閘縱0+011.60,即閘室段)。

起點(diǎn)齒墻入土深度S1=1m,終點(diǎn)齒墻入土深度S2=2m,水平長度Lx3=9.6m,閘室厚1.5m,該段T=29.8-1.5=28.3m;

第七段:出口段(閘室段末端)。

齒墻入土深度S=2.5m,該段T=29.8-1=28.8m;

3.1.3 各段水頭損失計(jì)算

水頭損失之和: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

修正后進(jìn)口段水頭損失值:h1'=β'h1=0.630×0.707=0.445m。

修正后出口段水頭損失值:h2'=β'h2=0.705×0.725=0.511m。

進(jìn)出口合計(jì)修正后水頭損失減小值:△h=0.707+0.725-0.445-0.511=0.476m。

3.1.6 水頭損失減小值分?jǐn)偟剿蕉?/p>

水平段水頭損失合計(jì):0.973+0.694+0.732=2.399m。

修正后的水平段水頭損失值:2.399+0.476=2.875m。

按長度比例均攤,得到修正后的各水平段水頭損失值,本工程中內(nèi)部垂直段水頭損失所占比例很小,計(jì)算不考慮分?jǐn)偂?/p>

水平段長度合計(jì):20.8+15.8+9.6=46.2m。

3.1.7 出口段滲透坡降計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2公式C.2.6計(jì)算。

滿足上文的允許滲透坡降0.25～0.30的要求,同時(shí)滿足水閘設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.1.8 繪制滲透壓力分布圖形

經(jīng)計(jì)算,各段修正后水頭損失值如表3所示。

表3 各段修正后水頭損失值

鋪蓋起點(diǎn)至閘室末端滲透壓力分布如圖1所示。

圖1 閘室末端滲透壓力分布

根據(jù)以上滲透壓力分布圖計(jì)算單寬閘室部分滲透壓力為(面積在CAD中量得):13.3×9.81=130.47kN/m。

3.2 第二種情況

正常蓄水位,止水失效,上游水深4m,下游無水。

3.2.1 阻力系數(shù)計(jì)算

地基有效深度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2計(jì)算。

計(jì)算范圍:鋪蓋起點(diǎn)至閘室末端。

因內(nèi)部垂直段太短,故計(jì)算忽略齒墻的影響,視閘底板為1.5m等厚板[5-10]。

從圖紙上量得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(初設(shè)地質(zhì)未揭穿覆蓋層,計(jì)算視為無限深)。

3.2.2 分段阻力系數(shù)計(jì)算

地基有效深度范圍內(nèi)為砂卵石,屬強(qiáng)透水層,下文計(jì)算中從地面起算的地基透水層深度T=Te=7.3m。

第一段:進(jìn)口段(閘室起點(diǎn))。

齒墻入土深度S=1.5m,進(jìn)口段T=7.3m;

第二段:水平段(閘縱0+000.00～閘縱0+014.60)。

起點(diǎn)齒墻入土深度S1=0m,終點(diǎn)齒墻入土深度S2=0m,水平長度Lx=14.6m,閘底板厚1.5m,故該段T=7.3-1.5=5.8m;

第三段:出口段(閘室末端)。

齒墻入土深度S=1.5m,該段T=7.3m;

3.2.3 各段水頭損失計(jì)算

水頭損失之和: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

修正后進(jìn)口段水頭損失值:h1'=β'h1=0.815×0.632=0.515m。

修正后出口段水頭損失值:h2'=β'h2=0.815×0.632=0.515m;

進(jìn)出口合計(jì)修正后水頭損失減小值:△h=0.632+0.632-0.515-0.515=0.234m。

3.2.6 水頭損失加到水平段

h'x1=0.234+2.736=2.970m

3.2.7 出口段滲透坡降計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2公式C.2.6計(jì)算。

不滿足上文的允許滲透坡降0.25～0.30的要求,但滿足水閘設(shè)計(jì)規(guī)范要求,應(yīng)避免止水失效的情況出現(xiàn),否則閘基容易發(fā)生管涌破壞。

4 結(jié)論

本文以城子水庫輸水水閘為研究對(duì)象,采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算得到了該水閘在止水失效前后兩種運(yùn)行工況下的滲透比降和滲透壓力。發(fā)現(xiàn):(1)在正常蓄水位+止水效果良好+上游水深4m+下游無水時(shí),閘基的滲透坡降僅為0.204,小于允許滲透坡降0.25～0.30,滲透壓力為130.47kN/m,同時(shí)滿足水閘設(shè)計(jì)規(guī)范要求,水閘是安全的;(2)在正常蓄水位+止水失效+上游水深4m+下游無水時(shí),閘基的滲透坡降為0.343,大于允許滲透坡降。說明該水閘的止水失效后,閘基容易發(fā)生管涌破壞,應(yīng)盡量避免出現(xiàn)止水失效的運(yùn)行情況,保證水閘的安全運(yùn)行。