水閘消力池排水孔布置型式研究

林悅奇，徐云乾

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省水動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室，廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

根據(jù)水閘消力池的結(jié)構(gòu)和其運(yùn)行工況可知，消力池底板穩(wěn)定主要取決于底板所承受的水重Wg、底板自重G和底板揚(yáng)壓力U。對(duì)于低水頭低弗勞德數(shù)的水閘[1- 2]，由于水頭差小，流速不大，因此水流引起的負(fù)壓忽略不計(jì)。廣東地區(qū)低水頭水閘消力池前端底板隆起的原因，認(rèn)為是在泄水時(shí)，消力池前端產(chǎn)生水躍，使得消力池底板前后水重產(chǎn)生不平衡力矩，而且消力池前端沒有布置排水孔，當(dāng)揚(yáng)壓力U和水重的合力距超過閘底板的抗傾覆力矩，使得消力池底板上抬隆起[3- 6]。茹建輝指出[7]，SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明第4.3.8條的不當(dāng)在于它只強(qiáng)調(diào)了靠前布置的排水孔可能存在較大的滲透溢出坡降，會(huì)使反濾層遭受破壞從而引起結(jié)構(gòu)破壞。但它忽視了排水孔自身承擔(dān)減少基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力，增大工程穩(wěn)定的安全度和降低工程造價(jià)的重要功能。本文利用限元滲流計(jì)算[8- 9]，研究水閘消力池不同的排水孔布置形式下，消力池底板承受的揚(yáng)壓力和滲流比降的變化情況，并提出解決建議。

1 分析方法

消力池底板穩(wěn)定涉及的變量分別為：底板上的水重Wg、底板自重G和揚(yáng)壓力U的計(jì)算。

(1)底板自重G可以由幾何尺寸確定。

(2)底板揚(yáng)壓力U的計(jì)算采用SL265—2016推薦的改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算，李飛已利用改進(jìn)阻力系數(shù)法對(duì)Geostudio滲流計(jì)算模塊進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明其計(jì)算結(jié)果合理準(zhǔn)確[10]。故滲流計(jì)算采用Geostudio有限元方法計(jì)算。

(4)滲流比降J及滲流量采用Geostudio seep進(jìn)行有限元計(jì)算。

根據(jù)水閘的運(yùn)行工況，計(jì)算上游水位在19.30m時(shí)，單寬流量為1.39m3/s和單寬流量為23.17m3/s兩個(gè)工況下的水躍三要素，計(jì)算結(jié)果作為水力邊界條件賦值到有限元滲流計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 水躍要素計(jì)算結(jié)果

2 工程概況

某水閘設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，對(duì)應(yīng)上游水位為19.30m，下游水位為17.58m，校核標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，上游水位為19.46m，下游水位為18.13m。剖面圖如圖1所示，上游鋪蓋長(zhǎng)40m，厚0.5m，鋪蓋高程為13.5m，堰頂高程為14.50m，堰型為WES型實(shí)用堰，壩高4.0m，堰頂高程為14.50m，河床高程為13.50m，壩身底寬15.0m，上游鋪蓋長(zhǎng)40.0m，下游消力池長(zhǎng)25.0m，消力池后段設(shè)置φ100mm排水孔，消力池底板高程為10.00m，海漫漿砌石長(zhǎng)25.0m，干砌石長(zhǎng)20.0m，防沖槽干砌石長(zhǎng)10.0m，閘門為鋼制弧形門，共13孔，每孔尺寸12.0×5.0m。消力池后段設(shè)置φ100mm排水孔。

圖1 某水閘剖面圖

表2 各巖土層滲流計(jì)算參數(shù)

水閘閘基地層從上至下分別為中粗砂、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化砂巖，主要的透水層為中粗砂及圓礫，其物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。閘基底中的砂層屬于透水性較強(qiáng)的土層，當(dāng)?shù)鼗鶟B透系數(shù)增大時(shí)，溢流堰厚消力池底板承受的滲透壓力亦會(huì)增大，容易造成消力池底板上抬隆起。

3 計(jì)算分析

計(jì)算模型長(zhǎng)度為110m，高度14.5m，采用三角形與矩形自適應(yīng)單元?jiǎng)澐址绞剑瑔卧呴L(zhǎng)為0.5m，共5617個(gè)單元。在滲流計(jì)算時(shí)，閘基底下中粗砂層和圓礫層均按飽和狀態(tài)考慮，上游段賦予19.30m的邊界水頭；下游水利邊界條件設(shè)置分兩種情況：①蓄水時(shí)，消力池底板邊界水頭與底板高程一致;②泄流消能時(shí)，把消力池劃分為20小段，將水躍要素計(jì)算結(jié)果分段插值賦在相應(yīng)的部位，模擬泄流時(shí)消力池底板不同部位承受不同的壓力水頭。有限元滲流計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 滲流計(jì)算模型

當(dāng)排水孔置于消力池前端時(shí)，閘基滲流流網(wǎng)及總水頭線如圖3所示，鋪蓋和溢流堰的水力梯度i=0.05，鋪蓋滲透壓力為2485.28kN；而排水孔置于消力池后端時(shí)，閘基滲流流網(wǎng)及總水頭線如圖4所示，鋪蓋和溢流堰的水力梯度i=0.07，鋪蓋滲透壓力為1983.52 kN。兩種情況下，滲透壓力均小于水重和鋪蓋自重之和，故上游部分增大的滲透壓力對(duì)鋪蓋和溢流堰的影響較小。對(duì)于消力池底板，排水孔前置時(shí)釋放了底板前端的滲透壓力，在總水頭線可看出，滲透壓力作用點(diǎn)位于底板下游側(cè)，底板下游側(cè)為躍后水深，底板上水重為1034.88 kN，底板自重450 kN，滲透壓力為318.50 kN小于底板自重與水重之和。當(dāng)排水孔位于消力池下游側(cè)，底板的滲透壓力為820.75 kN，與工程實(shí)際情況相吻合，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于布設(shè)在前端時(shí)的318.5 kN。

圖3 q=23.17m3/s前置排水孔工況總水頭線及流網(wǎng)

圖4 q=23.17m3/s后置排水孔工況總水頭線及流網(wǎng)

圖5 前置排水孔蓄水工況總水頭線及流網(wǎng)

水重Wg、底板自重G和揚(yáng)壓力U分別對(duì)消力池后端點(diǎn)取矩，抗傾覆系數(shù)K=(MW+MG)/MU，求得K前置=5.94、K后置=1.15，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，排水孔前置時(shí)安全系數(shù)比后置排水孔高，可避免消力池底板前端出現(xiàn)上抬隆起的情況。由于排泄小流量時(shí)，消力池滲透壓力不大，故不再詳細(xì)列出。

在水閘處于19.30m正常蓄水工況時(shí)，當(dāng)排水孔布置在前端時(shí)，閘基滲流流網(wǎng)及總水頭線如圖5所示，消力池底板承受的滲透壓力為176.40 kN；當(dāng)排水孔布置在后端時(shí)，閘基滲流流網(wǎng)及總水頭線如圖6所示，消力池底板承受的滲透壓力為404.25 kN，消力池底板處于無水狀態(tài)，底板自重450 kN，滲透壓力大小接近底板自重，此時(shí)安全裕度小。各計(jì)算工況結(jié)果詳見表3。

表3 滲透壓力計(jì)算結(jié)果

圖6 后置排水孔蓄水工況總水頭線及流網(wǎng)

從表3可以看出，當(dāng)宣泄小流量時(shí)，排水孔之前后置的消力池底板的滲透壓力并沒有明顯的影響，但宣泄大流量時(shí)，消力池前端與溢流堰底部銜接，在泄流消能時(shí)，收縮水深通常出現(xiàn)在消力池前端附近區(qū)域，在收縮水深附近區(qū)域，由于流速大，水深較小，所以消力池底板前端水重較小，經(jīng)過水躍后，水流流速變慢，躍后水深較大，使得消力池后端水重遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前端水重，加上揚(yáng)壓力作用，更加容易造成前端底板破壞。此時(shí)，在消力池底板前端布設(shè)排水孔釋放滲透壓力的效果非常明顯，在前端布設(shè)排水孔時(shí)，由于滲透壓力的減小，可以減小消力池底板體量，節(jié)省工程投資。但釋放滲透壓力的同時(shí)，亦存在不足之處，在前端布設(shè)排水孔，前端由于水力梯度i的增大，使得排水孔溢出比降增大，排水孔反濾容易破壞，故在前端布設(shè)排水孔時(shí)，需在蓄水期間定期派人檢查排水孔反濾及時(shí)維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)按SL265—2016推薦將消力池排水孔往后布置，可以大大降低排水孔附近的滲流比降，但無孔底板前端承受的滲透壓力劇增，容易造成消力池底板前端上抬隆起，因此需要增大底板自重平衡滲透壓力。

(2)在消力池底板前端開孔，減小前端底板滲透壓力，但排水孔的滲透比降會(huì)增大，為避免發(fā)生滲透破壞，在蓄水期間，應(yīng)定期派人檢查維護(hù)排水孔，以保證期安全暢通排水。

(3)消力池前端布設(shè)排水孔的數(shù)量多少直接影響水閘地基滲流場(chǎng)的重要邊界條件，其布孔數(shù)量應(yīng)通過不同的運(yùn)用工況詳細(xì)分析確定。