孟 奇

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 836800)

水閘作為水利水電工程重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，在水資源調(diào)配方面發(fā)揮著重要的作用[1]。一旦水閘發(fā)生事故，將造成人身傷亡與基礎(chǔ)設(shè)施損壞事故。因此，確保水閘的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。在水閘的整體安全中，滲流安全占有重要的位置[2-4]。本文在介紹水閘滲流計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，對(duì)滲流計(jì)算中的改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將改進(jìn)阻力系數(shù)法應(yīng)用在實(shí)際工程的水閘滲流計(jì)算中，達(dá)到提高滲流計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的目的，這對(duì)于水利工程安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

該水利工程位于新疆區(qū)域，地勢(shì)上呈現(xiàn)出西南高東北低，整體地勢(shì)較為平緩，河道全長(zhǎng)為94.4 km，控制流域面積為1202.9 km2。根據(jù)勘探資料，在河流的沖積下，地面以下25.0 m為松散沉積層，分5個(gè)工程地質(zhì)層，分別為砂壤土1(層底高程24.45～24.50 m)、壤土2(層底高程18.45～18.50 m)、粉質(zhì)黏土3(層底高程11.45～11.50 m)、壤土4(層底高程8.45～8.50 m)、砂壤土5(最大揭露厚度為6.00 m)。根據(jù)勘探資料，工程區(qū)淺部地層主要為壤土、砂壤土為主。

1 改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算原理

1.1 滲流計(jì)算方法介紹

滲流計(jì)算主要應(yīng)用在水閘地下輪廓線各角隅點(diǎn)的滲壓水頭值、滲流比降值等的計(jì)算。滲流計(jì)算方法從分類(lèi)來(lái)看，目前常用的方法主要包括理論滲流計(jì)算法及電模擬試驗(yàn)法。理論滲流計(jì)算法的計(jì)算工況是邊界條件比較簡(jiǎn)單的情況，計(jì)算結(jié)果誤差較大，電模擬試驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果比較精確，但需要一定的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)[5]。除上述兩種方法外，改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行水閘滲流計(jì)算逐漸被應(yīng)用在工程實(shí)際中[6-7]。

1.2 改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算原理

在不透水層且埋設(shè)深度不大的位置上，滲流屬于緩慢流動(dòng)，因此可將水閘閘基中的滲流流動(dòng)方式模擬為管壓的流動(dòng)。在管壓流動(dòng)過(guò)程中，會(huì)存在各項(xiàng)水頭損失。假設(shè)滲流深度為T(mén)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的水平管道運(yùn)動(dòng)，按照二元層流問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)單寬流量q，q=KhfT/L得到水頭差hf，如式(1)：

(1)

式中:ξ為阻力系數(shù);K為滲透系數(shù),m/s。

通過(guò)式(1)可知，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行滲流問(wèn)題計(jì)算時(shí)，需要確定邊界條件。首先要確定不透水層的埋深與滲流場(chǎng)有效深度二者之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)地下輪廓不透水部分的幾何形狀，進(jìn)行滲流場(chǎng)分段。應(yīng)用現(xiàn)有的流體力學(xué)方程，在不同的分段區(qū)域內(nèi)，求解阻力系數(shù)。最后，根據(jù)求解得到的阻力系數(shù)，求解滲透水頭，進(jìn)行逐段累加計(jì)算水頭損失，繪制滲壓水頭分布圖。

(1)地基有效深度計(jì)算。土基水閘的地基有效深度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)理論，如式(2):

(2)

式中:Te為地基有效深度,m；L0、S0為地下輪廓的水平投影與垂直投影長(zhǎng)度,m。

(2)地基各分段阻力系數(shù)計(jì)算。采用改進(jìn)阻力法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要將地下的輪廓線進(jìn)行分段處理，通過(guò)計(jì)算各段的阻力系數(shù)來(lái)進(jìn)行滲透要素的求解。在進(jìn)行分段前，首先需要將地下輪廓線進(jìn)行簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化過(guò)程中，出口處的齒墻和短樁深度應(yīng)進(jìn)行保留。同時(shí)利用地下輪廓不透水部分各角隅點(diǎn)和板樁尖端的等勢(shì)線，將地基分段。分段的形式主要有進(jìn)口出口垂直段、內(nèi)部垂直段、水平段三種形式。三種形式的阻力系數(shù)計(jì)算如式(3)～式(5)：

(3)

(4)

(5)

式中：ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S為板樁或齒墻的埋入深度，m；T為地基透水層深度，m；ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)；ξx為水平段的阻力系數(shù)；S1、S2為進(jìn)、出口段齒墻的埋入深度，m。

(3)水頭損失計(jì)算。在計(jì)算得到各分段阻力系數(shù)值后，根據(jù)各分段的損失值進(jìn)行疊加，得到總水頭損失，如式(6)：

(6)

式中：hi為各分段水頭損失值，m；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

(4)滲透壓力分布圖。通過(guò)計(jì)算得到各分段的水頭損失后，以滲流出口段開(kāi)始，逐段向上累加得到整體的水頭損失值。從而得到相鄰各計(jì)算角隅點(diǎn)的滲壓水頭值。采用直線進(jìn)行連接各水頭代表線段的端點(diǎn)，從而繪制得到滲壓水頭壓力分布圖。

(5)進(jìn)、出口水頭損失的修正。從工程實(shí)際來(lái)看，當(dāng)進(jìn)、出口板樁較短時(shí)，進(jìn)出口處的滲流比降線將呈急變曲線的形式。在此情況下，需要對(duì)水頭進(jìn)行修正。修正方法如式(7)～式(9)。

(7)

(8)

(9)

因此可以得到修正后的水頭損失減小值Δh的計(jì)算公式(10)：

Δh=(1-β′)h0

(10)

(6) 出逸比降計(jì)算。出口段的出逸比降J的計(jì)算見(jiàn)式(11)：

(11)

2 各土層滲透系數(shù)

該場(chǎng)區(qū)淺部的孔隙潛水補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水，以垂直蒸發(fā)排泄為主，據(jù)室內(nèi)滲透試驗(yàn)，并結(jié)合該區(qū)經(jīng)驗(yàn)，綜合提出各土層的滲透系數(shù)如表1。

表1 各土層滲透系數(shù)

3 改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算閘基滲流

3.1 滲徑長(zhǎng)度計(jì)算

從地質(zhì)勘測(cè)統(tǒng)計(jì)的資料來(lái)看，該水利工程的閘室地基的土質(zhì)主要是砂壤土，砂壤土的透水性相對(duì)較大。閘室在底板材料的選擇上為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，整體長(zhǎng)度為15 m。為了進(jìn)一步增大滲徑，在閘室的上游位置設(shè)置了20 m的鋼筋混凝土鋪蓋。并在下游設(shè)置了排水反濾設(shè)備。從砂壤土層進(jìn)行滲流長(zhǎng)度的考慮，查勃萊系數(shù)C=8。該水利工程在正常的蓄水位置上，閘室的上下水位分別為25.78 m和4.80 m。從而可以得到需要的防滲長(zhǎng)度為38.40 m，消力池排水管滲徑總長(zhǎng)43.50 m，可滿(mǎn)足要求。

3.2 阻力系數(shù)計(jì)算

3.2.1 確定有效深度

水平投影L0=43.5 m，垂直投影S0=1.7 m，由此可以得到L0/S0的值為25.6，大于5。根據(jù)式(2)可以得到地基的有效深度Te=21.75 m。

通過(guò)查看相應(yīng)的地質(zhì)資料可知，閘基的輪廓位于第二層，在21.75 m的范圍內(nèi)，沒(méi)有相對(duì)不透水層，可確定有效深度為21.75 m。

3.2.2 地下輪廓簡(jiǎn)化

按照相應(yīng)的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，該水利工程的地下輪廓可簡(jiǎn)化為九段。

3.3 計(jì)算各段阻力系數(shù)

根據(jù)計(jì)算式(3)～式(5)進(jìn)行各段的阻力系數(shù)計(jì)算。具體結(jié)果如表2所示。

表2 各段阻力系數(shù)

3.4 滲透壓力計(jì)算

分段滲壓水頭損失值計(jì)算如式(12)：

(12)

式中：hi為各分段水頭損失值，m；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)；ΔH為水頭損失減小值，m。

其中ΔH=4.8 m，通過(guò)式(12)計(jì)算得到各滲壓水頭的損失值如表3。

表3 修正前水頭損失計(jì)算表 m

根據(jù)公式(7)～(9)進(jìn)出口水頭損失校正，修正后的水頭損失見(jiàn)表4。

表4 修正后的水頭損失 m

3.5 各角隅點(diǎn)的滲透水頭

各角隅點(diǎn)的滲透水頭計(jì)算方法為，從上游進(jìn)口段開(kāi)始，逐次向下游從作用水頭值相繼減去各分段水頭損失值，計(jì)算得到的結(jié)果為H0=4.800 m、H1=4.420 m、H2=42.643 m、H3=2.515 m、H4=1.415 m、H5=1.287 m、H6=0.987 m、H7=0.378 m、H8=0.222 m、H9=0 m。

3.6 滲透比降計(jì)算

根據(jù)公式(11)進(jìn)行滲透比降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。從滲透比降的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，出口段與水平段的滲透比降均在允許范圍之內(nèi)，因此地基不會(huì)出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，地基與底板之間不會(huì)出現(xiàn)接觸沖刷，滿(mǎn)足工程實(shí)際要求。

表5 滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4 改進(jìn)阻力系數(shù)法與理論滲流計(jì)算法計(jì)算結(jié)果比較

通過(guò)理論滲流計(jì)算法得到閘基輪廓線上部分點(diǎn)水頭值，與改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算水頭值對(duì)比結(jié)果如表6所示。各水平段及出口段滲透比降值比較如表7所示。通過(guò)表6與表7可知，改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算結(jié)果與理論滲流計(jì)算法計(jì)算結(jié)果在滲流水頭值、滲透比降值的計(jì)算結(jié)果較為相近，計(jì)算結(jié)果較為可靠。同時(shí)理論滲流計(jì)算法滲透比降值小于用改進(jìn)阻力系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果更能保證工程的穩(wěn)定性和安全性。

表6 計(jì)算水頭結(jié)果比較 m

表7 各水平段及出口段滲透比降值比較

5 結(jié) 論

水閘作為水利水電工程重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，在水資源調(diào)配方面發(fā)揮著重要的作用，確保水閘的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。在水閘的整體安全中，滲流安全占有重要的位置。本文在介紹水閘滲流計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，對(duì)滲流計(jì)算中的改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將改進(jìn)阻力系數(shù)法應(yīng)用在實(shí)際工程的水閘滲流計(jì)算中。結(jié)果表明：改進(jìn)阻力系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果可靠。同時(shí)其計(jì)算的滲透比降值大于理論滲流計(jì)算法，計(jì)算結(jié)果更能保證工程的穩(wěn)定性和安全性。具有重要的工程意義。