壩前淤泥對閘門的影響分析

一、引言

水庫建成之后，隨著泥沙淤積的不斷發展，最終將會淤積到壩前。為了排泄壩前淤泥及維持水庫長期使用庫容，往往需要設置底孔。在底孔關閉期間，門前會有泥沙淤積。淤積在門前的泥沙不僅增加了對閘門的水平壓力，而且還增加了對閘門的附著力(粘結力)，導致閘門啟門力增大。由于啟門力是選擇閘門啟閉機容量的重要依據，所以泥沙淤積對閘門啟門力的影響是設計人員所關注的重要問題之一。

在閘門前有泥沙淤積情況下，如何確定啟門力，目前還幾乎沒有方法可循。工程設計中常常是在確定了清水啟門力之后，然后考慮到門前泥沙淤積，再乘以一個大于1的系數，作為有泥沙淤積時的啟門力，但該系數確定往往憑經驗而定，帶有相當的盲目性。

二、門前淤泥相似準則

粘性細顆粒淤泥，隨著其固結程度，含水量不同，其所處的物理狀態也不同。當淤泥未固結，含水量較多時，屬于賓漢體泥漿。隨著淤泥固結，含水量變小，其力學性質發生根本變化，不再具有泥漿性質，而屬于土力學所研究的范圍。淹沒在水下的壩前粘性細顆粒新鮮淤積物多數情況下為賓漢體泥漿。文獻認為，如果淤泥的干容重在810kg/m3～1080kg/m3左右，那么就屬于泥漿。

對于處在靜止狀態下的泥漿，作用的外力同時有重力、粘結力及壓力，而粘結力起主導作用。由于影響粘結力的因素十分復雜，目前還難以用理論關系式表達，但粘結力與切力之間存在如下關系：

τ＝Ptgφ＋C (1)

式中：τ為泥漿切應力；P為壓強；為泥沙內摩擦角；C為單位面積的粘結力。

泥漿的內摩擦角主要與相對干容重γ′/γs有關(其中γ′為泥漿干容重，γs為沙粒容重).根據γ′/γs可計算出泥漿的內摩擦角。通過調整模型泥漿稠度，改變其干容重，可以使模型與原型泥漿內摩擦角相同。如果模型與原型泥漿內摩擦角相同，則由式(1)可推導出如下相似關系

λτ=λP (2)

λＣ=λτ (3)

式(2)、式(3)表明，在泥漿內摩擦角相同情況下，若泥漿切應力比尺能夠滿足相似要求，就能保證泥漿粘結力和壓力相似。

為了導出泥漿切應力相似比尺關系式，列出泥漿靜態平衡方程式如下

(4)

式中：p、τ分別為法向應力(壓強)和切應力，其下標第1個坐標表示應力分量所垂直的面，第2個坐標表示應力的方向，且有τxy=τyx，τxz=τzx，τyz=τzy；ρ為泥漿密度；X、Y、Z分別為單位質量力在x、y、z方向的分量，當質量力僅是重力時，則X=Y=0，Z=-g.

若模型與原型泥漿相似，則模型與原型對應的物理量必成同一比例，即

(pxx)p/(pxx)m=(pyy)p/(pyy)m=(pzz)p/(pzz)m=λp

(τxy)p(τxy)m=(τxz)p/(τxz)m=(τyz)p/(τyz)m=λτ

xp/xm=yp/ym=zp/zm=λL

ρp/ρm=λρ；gp/gm=λg

式中：腳標p表示原型；m表示模型。

將上述比例常數代入式(4)中，進行相似變換，得到

λp=λγm/λL (5)

λτ=λγm/λL (6)

式中：λp為泥漿壓強比尺；λτ為泥漿切應力比尺；λγm=λρλg為泥漿容重比尺；λi為幾何比尺。

賓漢體泥漿的切應力方程為

τ=τb+ηdv/dn (7)

式中：τ為切應力；τb為極限剪應力；η為剛度系數；dv/dn為流速梯度。τb、η可通過流變試驗確定。對于靜態泥漿dv=0，則有

τ=τb (8)

或

λτ=λτb (9)

將式(9)代入式(6)中，得

λτb=λγm/λL (10)

滿足式(10)就能保證泥漿粘結力和重力同時相似，而泥漿壓力相似是粘結力和重力相似的必然結果。由式(5)可確定漿泥壓強或壓力比尺。

文獻在模擬壩前粘性淤積物局部沖刷漏斗時，正是按式(10)相似條件配制模型泥漿，并使模型與原型泥沙內摩擦角相同，進行沖刷漏斗試驗，得到的試驗成果較為合理。這表明若模型泥漿配制滿足上述相似條件，就能保證模型與原型泥漿作用力相似。

三、模擬試驗方法

滿足式(10)相似條件的模型泥漿有多種選擇。在幾何比尺λL已定的情況下，影響模型泥漿選擇的因素有極限剪應力τb和泥漿容重γm.而影響τb大小的因素又有泥漿濃度、細顆粒含量及絮凝結構等。可見，τb和γm又相互影響。所以實際配制泥漿時需要反復調整泥漿體濃度和細顆粒含量，測定τb和γm值，使其比尺組合符合式(10)要求，并使模型與原型泥沙內摩擦角相同。

關于原型淤泥極限剪應力τb、漿體容重γm和內摩擦角的確定，由于在水庫設計階段無法實測淤泥參數，主要是根據壩前淤積物顆粒級配，參照類似工程實測資料并進行一些分析計算，首先確定壩前淤泥干容重γ′，然后根據原型淤泥顆粒級配及干容重，選擇合適的公式通過計算得到τb和φ，或選擇相同性質的天然沙樣在試驗室試配少量試樣實際測定τb和φ。泥漿容重γm則根據下式計算

γm=γ＋γ′(γs-γ)/γs (11)

式中：γ為水容重。

將配制好的泥漿按門前設計淤積高程充填到模型中，再在其上部注清水至設計庫水位，然后就可以利用閘門啟閉裝置進行啟門力試驗。在門前有泥沙淤積情況下，啟門力的最大值通常發生在開始啟門的瞬間。另外需要指出，由于泥漿的極限剪應力τb與其配制時間的長短有關，所以配制好的泥漿應及時充填到模型中進行試驗。否則τb將發生變化，泥漿的相似性將遭到破壞。

模型上的閘門行走支承及止水型式等很難做到與原型相似，因而作用在行走支承及止水處的模型摩阻力與原型摩阻力是不相似的。為了消除摩阻力不相似因素的影響，在同一模型相同邊界條件下，分別測定清水啟門力和有泥沙淤積時啟門力，并令

k=Fsm/Ｆwm (12)

式中：Fsm為有泥沙淤積時模型啟門力；Ｆwm為清水模型啟門力，k為比例系數，大于1.

由動力相似原理知，模型的k值等于原型的k值。一旦通過模型試驗確定出k值后，就可以在已知清水原型啟門力Fwp情況下，得出有泥沙淤積時原型啟門力Fsp，即

Fsp=kＦwp (13)

關于清水原型啟門力，既可以用啟門力公式計算，也可以在同一模型上通過試驗確定。清水啟門力的模型試驗，可參見有關文獻。

四、小結

本文在推導門前淤泥相似條件時，其前提條件是設淤泥為賓漢體泥漿。大多數水庫壩前淤泥一般較細且未固結，可當作賓漢體泥漿。如果淤泥已固結或為散粒體粗沙，那么就屬于土力學研究范圍，不能應用該文所給出的淤泥相似條件進行模擬。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。