劉青林

(招遠市大秦家街道辦事處農(nóng)業(yè)綜合服務中心,山東招遠,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,順水流方向長度為15m,底板厚度為1.8m,上下游設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。順水流方向長度為6m,底板厚度為1m,上下游設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)計算,下游產(chǎn)生淹沒水躍,按構造設置消力池,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。啟閉機采用雙吊點卷揚式啟閉機,閘室下游設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構,閘房為磚混凝土框架結構;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構,底層為庫房,二層為中控室。

2 基本地質條件

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級階地。干渠渠道軸線約S34°21′W,干渠現(xiàn)進水閘位于Ⅰ級階地前緣,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 物理地質現(xiàn)象

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

2.4 水文地質條件

區(qū)內地下水為孔隙潛水,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、大氣降水等補給,于平原下游低處排泄,富水性強,含水層穩(wěn)定,水量大,地下水位與河水位相近,鉆孔內水位埋深約3.60m～3.74m。

2.5 樞紐區(qū)土體物理力學建議值

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

表1 地基土體(砂、粉土)級配試驗特征值成果

表2 土體物理力學參數(shù)建議值

3 滲透比降及滲透壓力計算

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。

土體的級配及各項指標根據(jù)工程地質報告確定,粉細砂和中砂層允許滲透比降為0.25～0.30。

3.1.1 阻力系數(shù)計算

地基有效深度按《水閘設計規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2計算[1-4]。

計算范圍:鋪蓋起點至閘室末端。

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)計算

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

第一段:進口段(鋪蓋起點)。

齒墻入土深度S=1.6+0.4=2.0m,進口段T=29.8m;

第二段:水平段(閘縱0-042.40～閘縱0-021.60)。

起點齒墻入土深度S1=1.6m,終點齒墻入土深度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)。

起點齒墻入土深度S1=1.1m,終點齒墻入土深度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)。

起點齒墻入土深度S1=1m,終點齒墻入土深度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。

進出口合計修正后水頭損失減小值:△h=0.707+0.725-0.445-0.511=0.476m。

3.1.6 水頭損失減小值分攤到水平段

水平段水頭損失合計: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,本工程中內部垂直段水頭損失所占比例很小,計算不考慮分攤。

水平段長度合計:20.8+15.8+9.6=46.2m。

3.1.7 出口段滲透坡降計算

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2公式C.2.6計算。

滿足上文的允許滲透坡降0.25～0.30的要求,同時滿足水閘設計規(guī)范要求。

3.1.8 繪制滲透壓力分布圖形

經(jīng)計算,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)計算

地基有效深度按《水閘設計規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2計算。

計算范圍:鋪蓋起點至閘室末端。

因內部垂直段太短,故計算忽略齒墻的影響,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(初設地質未揭穿覆蓋層,計算視為無限深)。

3.2.2 分段阻力系數(shù)計算

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

第一段:進口段(閘室起點)。

齒墻入土深度S=1.5m,進口段T=7.3m;

第二段:水平段(閘縱0+000.00～閘縱0+014.60)。

起點齒墻入土深度S1=0m,終點齒墻入土深度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;

進出口合計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 出口段滲透坡降計算

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》(SL 265-2016)附錄C.2公式C.2.6計算。

不滿足上文的允許滲透坡降0.25～0.30的要求,但滿足水閘設計規(guī)范要求,應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 結論

本文以城子水庫輸水水閘為研究對象,采用改進阻力系數(shù)法計算得到了該水閘在止水失效前后兩種運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,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,同時滿足水閘設計規(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,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,應盡量避免出現(xiàn)止水失效的運行情況,保證水閘的安全運行。