改進阻力系數法在水閘滲流計算中的運用

張 亞 李乃回 代 晴

（徐州市水利建筑設計研究院 徐州 221000）

改進阻力系數法在水閘滲流計算中的運用

張 亞 李乃回 代 晴

（徐州市水利建筑設計研究院 徐州 221000）

閘基滲流是水閘設計的一個重要內容。對于閘基的防滲設計，《水閘設計規范》（S L265-2001）推薦改進阻力系數法或流網法進行防滲計算。文章主要闡述了改進阻力系數法在豐縣黃樓閘除險加固工程中閘基滲流計算中的運用，通過闡述改進阻力系數法的基本原理、地下輪廓線的布置并進行相關的滲流計算，最后得出結論，該設計滿足規范要求。

水閘 滲流系數 滲流坡降 改進阻力系數法

1 工程概況

復新河是南四湖湖西一條流域性河道，發源于安徽省碭山縣玄帝廟村西，沿廢黃河北堤東流至董莊東北流入豐縣，縱貫豐縣境內，下游經山東省魚臺縣于西姚村流入昭陽湖，豐縣境內長度53.9km，流域面積1098km2。復新河是縱貫豐縣南北的一條主要排澇河道，主要有太行堤河、蘇北堤河、西支河、子午河、苗城河等14條支流。1973年淮委劃定復新河流域總面積1812km2，其中安徽境內170 km2，山東境內459km2，江蘇境內豐縣1098km2，沛縣85km2。復新河分三個梯級，從下至上分別為李樓閘站、豐城閘站及黃樓閘。

黃樓閘位于復新河上游，宋樓鎮黃樓村北，承擔上游116.8km2排澇和2萬畝農田灌溉任務，是復新河第三級梯級控制工程，具有防洪、排澇、蓄水、灌溉等多種功能。

根據《水閘設計規范》（SL265-2001）、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）以及《防洪標準》（GB50201-2014），確定黃樓閘設計排澇標準為10年一遇，防洪標準為20年一遇。黃樓閘為中型涵閘，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物的級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。黃樓閘水位流量見表1。

表1 黃樓閘水位流量表

2 工程總體布置

黃樓閘為鋼筋混凝土開敞式水閘，共3孔，每孔8m，工作橋、檢修便橋布置在閘室上游側，交通橋布置在閘室下游側，閘室兩側分別設置樓梯間及控制室。閘室底板頂高程37.80m，閘頂高程43.00m，閘室底板順水流方向長15.0m，垂直水流方向總長28.40m；閘室上游鋪蓋長15m，頂高程37.80m，厚度0.5m。下游消力池總長26.00m，池深0.9m，池厚0.8m，高程為35.40m，消力池水平段設Φ10cm冒水孔。閘基底板布置見圖1。

圖1 閘基底板布置圖

3 滲流穩定計算

3.1 計算條件

當上游水位為41.00m，下游水位為37.00m的最不利水位組合時，對閘基將產生最為不利的滲透作用，故選擇該工況作為防滲計算工況。

3.2 滲流計算

根據地質報告，場地內第①層砂壤土、②層粉砂的滲透變形破壞形式均為流土破壞，建議允許水力比降分別為0.30、0.25。

該工程正向防滲設施采用閘上游設置鋼筋混凝土鋪蓋，鋪蓋長度15m，厚0.5m。同時在鋪蓋前段套打雙排水泥土攪拌樁截滲墻，樁底高程25.0m，穿粉砂土層，入壤土層1m，截滲墻28d滲透系數不大于A×10-6cm/s。

側向繞滲設計上游翼墻前段同樣套打雙排水泥土攪拌樁截滲墻，與鋪蓋截滲墻連接，樁底高程25.0m，穿粉砂土層，入壤土層1m。

根據《水閘設計規范》（SL265-2001），運用改進阻力系數法進行滲流計算（見圖2），計算各典型段的阻力系數，并計算各典型段的滲壓水頭損失。

3.2.1 地基有效深度計算

按照《水閘設計規范》（SL265-2001）C.2.1土基上水閘的地基有效深度可按公式（C.2.1-1）或（C.2.1-2）計算：

式中：Te—土基上水閘的地基有效深度（m）；

L0—地下輪廓的水平投影長度（m）；

S0—地下輪廓的垂直投影長度（m）。

當計算的Te值大于地基實際深度時，Te值應按地基實際深度采用。

3.2.2 分段阻力系數計算

按照《水閘設計規范》（SL265-2001）C.2.2分段阻力系數可按公式（C.2.2-1）～（C.2.2-3）計算：

a.進、出口段（見圖3C.2.2-1）

式中：ξ0—進、出口段的阻力系數；

S—板樁或齒墻的入土深度（m）；

T—地基透水層深度（m）。

b.內部垂直段（見圖3C.2.2-2）

式中：ξy—內部垂直段的阻力系數。

c.水平段（見圖3C.2.2-3）

式中：ξx—水平段的阻力系數；

Lx—水平段長度（m）；

S1、S2—進、出口段板樁或齒墻的入土深度（m）。

（1）進口段：

（3）鋪蓋垂直段：

（6）消力池傾斜段：

3.2.3 滲透壓力計算

閘上水位：41.00m；閘下水位：37.00m。

因此：ΔH=41.00-37.00=4.00m。

按照《水閘設計規范》（SL265-2001）C.2.3各分段水頭損失值可按公式（C.2.3）計算：

式中：hχ—各分段水頭損失值（m）；

ai—各分段的阻力系數；

n—總分段數。

計算得到每一段的滲壓水頭損失，見表2。

圖2 滲流計算簡圖

圖3 C.2.2-1

圖3 C.2.2-2

圖3 C.2.2-3

3.2.4 進、出口段水頭損失修正

3.2.4.1 進、出口段水頭損失值和滲透壓力分布圖形可按下列方法進行局部修正：

a.進、出口段修正后的水頭損失值可按公式（C.2.4-1）～（C.2.4-3）計算（見圖4C.2.4-1）

表2 每一段滲壓水頭損失值表

表3 滲流穩定計算成果表

圖4 C.2.4-1

h0—進、出口段水頭損失值（m）；

β'—阻力修正系數，當計算的β'≥1.0時，采用β'=1.0；

S'—底板埋深與板樁入土深度之和（m）；

T'—板樁另一側地基透水層深度（m）。

b.修正后水頭損失的減小值，可按公式（C.2.4-4）計算

式中：Δh—修正后水頭損失的減小值（m）。

c.水力坡降呈急變形式的長度可按公式（C.2.4-5）計算：

d.進口段水頭損失修正

不需要修正。

e.出口段滲透壓力分布圖形可按下列方法進行修正見圖4C.2.4-2

圖4 C.2.4-2

圖4C.2.4-2中的QP'為原有水力坡降線，根據公式（C.2.4-3）和（C.2.4-4）和公式（C.2.4-5）計算的Δh和L'x值，分別定出P點和O點，連接QOP，即為修正后的水力坡降線。

3.2.4.2 進、出口段齒墻不規則部位可按下列方法進行修正（見圖5C.2.5-1和圖5C.2.5-2）

圖5 C.2.5-1

圖5 C.2.5-2

a.當hx≥Δh時，可按公式（C.2.5-1）進行修正

式中：hx—水平段的水頭損失值（m）；—修正后的水平段水頭損失值（m）。

b.當hx＜Δh時，可按下列兩種情況分別進行修正

（1）若hx+hy≥Δh，可按公式（C.2.5-2）和公式（C.2.5-3）進行修正

式中：hy—內部垂直段的水頭損失失值（m）；—修正后的內部垂直段水頭損失值（m）。

（2）若hx+hy＜Δh，可按公式（C.2.5-2），公式（C.2.5-4）和公式（C.2.5-5）進行修正

式中：hcd—圖C.2.5-1和圖C.2.5-2中CD段的水頭損失值（m）；—修正后的CΡ段水頭損失值（m）。

以直線連接修正后的各分段計算點的水頭值，即得修正后的滲透壓力分布圖形。

c.出口段水頭損失修正

應予以修正。

出口段水頭損失減小值為：Δh10=0.530-0.080=0.449m

因為h9+h8＜Δh10，因此出口齒墻垂直段、齒墻水平段及消力池水平段水頭損失修正如下：，。

滲流穩定計算成果見表3。經過驗算，無誤。

3.2.5 閘底板滲透坡降和滲流出口處坡降

C.2.6出口段滲流坡降值可按公式（C.2.6）計算：

式中：J—出口段滲流坡降值。

滲流出口平均坡降J0=0.322＜1.3[J0]=1.3×0.25=0.325

閘底板水平段平均滲透坡降JX=0.040＜1.3[JX]=1.3× 0.15=0.195

鋪蓋底板水平段平均滲透坡降JX=0.039＜1.3[JX]=1.3× 0.15=0.195

側向防滲：閘室回填土采用砂壤土，根據《水閘設計規范》，砂壤土允許滲透長度系數9，需要防滲長度36m，根據布置水閘側向防滲長度為69.2m，滿足防滲要求

（專欄編輯：顧 梅）