不同板樁結構對水工建筑物滲流的影響研究

黃亞斌

(江西上饒市水利電力勘測設計院，江西 上饒 334000)

目前，許多水工結構建在具有滲透性的土壤上，如堰、攔河閘、水閘和水壩，以上建筑物均配有板樁[1]，其具有防止沖刷和破壞的作用[2]，以上這些結構的傳統設計是基于1排或2排沿渠道寬度橫向延伸的板樁。目前，大多數滲流計算為基于二維(2D)分析，其限制了對板樁結構的研究[3- 4]。即使在三維(3D)分析中，從河岸滲出的水也被忽略了。一些學者研究了不同渠道寬度對滲漏的影響，其研究發現對于渠道兩岸水流的忽略可能會導致錯誤的分析結果和不準確的滲漏計算[5- 6]。而最近一些學者研究了在不同板樁結構中，考慮渠道兩岸水流通過渠道的情況，但其研究有2個嚴重的局限性：第一，未考慮通過海岸的不飽和水流；其次，只研究了有限數量的板樁結構[7- 10]。

上述研究表明，板樁對滲流損失、作用于結構上的上浮力和出口水力梯度的影響尚未得到充分研究。在以往的大多數研究中，未考慮通過岸邊的流量，導致結果不準確。因此，本文的研究目的為：采用van genuchten模型[11- 12]，在考慮渠道兩岸滲漏的情況下，研究水工結構在其底部打入不同結構板樁后對渠道底部下游端滲漏損失、上浮力和出口水力梯度的影響。

1 研究方法

本文研究的水工結構尺寸如圖1a所示。其位于透水均質各向同性土壤上，深度為6m，水力傳導系數為3×10-5m/s。van genuchten模型曲線擬合參數分別取α= 14.5m-1和n=2.68。本文所提的水工結構由閘門、側擋土墻和閘門上方的結構共同組成，同時在結構下打入一個穿透深度為4m的板樁。模型區的長度為60m，渠道寬度為10m，渠道兩岸各延伸10m，其頂部高出渠道河床2m。該結構的不透水層長16m，延伸處穿過渠道一定寬度，兩側設有不透水擋土墻，一直延伸到堤岸高度。滲流通過結構的上下游水頭差H=1m產生。圖1b給出了用于模擬的有限元網格，共劃分11137個節點和9408個單元。因結構關于中心線對稱，因此本文只模擬結構的一半。本文首先對中點在底板以下4m的薄板進行二維模擬，并將模擬結果與三維模擬進行比較。其次，在無板樁和添加不同構造板樁的情況下，對該問題進行了三維模擬研究，不同情況下板樁的構造如圖2所示。本文采用兩點微分法計算出口水力梯度，其通過從垂直方向下方節點的水頭中減去門端節點的水頭，然后除以兩個節點之間的距離來實現的。上浮力僅在下游底板上計算。同時本文按照規定的水頭邊界建模，其總施加水頭為1.0m。下游側的河床也按照規定的水頭邊界建模，其水頭為零。滲流面采用沿渠道下游的垂直邊表示。所有外部垂直邊界、底部邊界、底部和側擋土墻都被建模為不透水邊界。

圖1 研究對象的尺寸和有限元網格

圖2 水工結構中板樁的不同受力形態

2 結果分析

2.1 板樁結構影響分析

表1給出了滲流值、下游側的揚壓力以及渠道邊緣和中心出口處的水力梯度值。并列出了底板下的流量和包括河岸在內的總流量。表中所列出的滲流、浮力(揚壓力)和出口水力梯度值均與從情況a計算的二維解進行歸一化處理?？梢钥闯觯喊鍢堆由熘梁拥乐醒牒?如情況b和情況c)，不會明顯降低出口處的水力梯度值。雖然情況c中使用的片材堆的長度是情況a的3倍，但出口處的水力梯度值并未減小，因此情況b和情況c的板樁結構不推薦在水工結構中使用。情況e中出現了類似的模擬結果。從三個側面限制下游河道后，出口處的水力梯度值并未明顯降低。情況e中使用的片材堆的長度是情況a的2.6倍。中心出口處水力梯度值下降最快的情況來自d、f、h和i。出口水力梯度的這種顯著降低歸因于水流滲透長度的增加，對于不同的水頭其滲透是恒定的。情況f中的片材堆長度大約為情況d、h和i的2倍，但情況f不是最優的配置。情況e最大程度地減小了浮力，其從三個側面推動板樁來限制下游的浮力。但此種情況產生了出口高水力梯度值。另一方面，與其他情況相比，其對浮力的減小并不顯著。因此，從實際角度來看，不建議采用情況5那樣的片材堆。與2D浮力(16.63kN)相比，浮力增加到情況a的140%和情況h的170%。與二維分析相比，三維分析浮力的增加可能是由通過河岸的水流引起的，其在二維分析中并未考慮，說明二維分析得到的滲流結果有時不適用與設計。三維分析獲得的總流量相對值大約為二位分析流量值的3.5倍。板樁結構的所有其他情況對滲漏損失幾乎沒有影響。從不同板樁結構獲得的最高和最低流量之間的差異約為5%。

表1 板樁結構對滲流損失、揚壓力和出口水力梯度的影響

2.2 附加片材堆延伸效果分析

從上述結果可以明顯看出，情況d即閘門中部和下游端有兩個板樁的水工結構，是能夠顯著降低渠道中心出口水力梯度的最佳板樁結構之一。但對于這種情況和上述分析的其他情況來說，渠道邊緣的出口水力梯度仍然很高。因此，本文在情況d的基礎上，通過將閘門下游端的板樁延伸至渠道兩岸，進一步研究了板樁結構對于滲漏的影響，分析結果如圖3所示。X為底板伸入岸邊的距離，本文研究了以下情況:X= 1、2、4、6、8、10m時，可以看出在河道下游端打入的板樁延伸至渠道兩岸后，能夠大大降低渠道邊緣出口的水力梯度值。當板樁伸入河岸僅2m時，它將渠道邊緣的出口水力梯度減小到從上述情況d獲得的值的一半。片材堆延伸超過2m只能將出口水力梯度減小很小的數值。渠道邊緣出口水力梯度減小的原因是由于滲出的水必須繞著板樁延伸部分流動，其降低了水在渠道流出之前的速度。因此，在設計水工結構時，建議在下游河道末端使用板樁，并將板樁伸至渠道兩岸一定長度，其可降低出口處的水力梯度，從而提高結構的抗侵蝕及安全性。但情況b和c中，板樁在底板中間的延伸不會導致出口水力梯度明顯降低。與情況d相比，在渠底下游端延伸板樁不會明顯改變揚壓力、滲漏損失及中心出口處的水力梯度值。

圖3 渠道邊緣水力梯度值隨底板沿河岸邊緣延伸長度的變化

2.3 不同底板長度的影響

本文將底板長度增加到了20m，并再次對9種不同的底板構造進行了分析。計算結果見表2，可以看出：不同板樁結構對滲流損失和出口水力梯度的影響類似于16m長的板樁結構，板長為20m的板樁結構產生的下游浮力和單位面積上平均浮力大于板長為16m的板樁結構，中央出口水力梯度降低了約12%。說明增加底板的長度并不總是有利的，雖然其降低了出口水力梯度，但卻導致浮力卻增加了。表2中下游上浮力的增加不僅是因為底部面積變大，還因為底部長度的增加。情況d、f、h、i產生的下游浮力均較大。

3 結論

本文研究了在水工建筑物底部打入的板樁的不同結構形式對滲流損失、下游揚壓力和出口水力梯度的影響。研究結果表明：在閘門中間打入的板樁延伸到渠道兩岸后，對作用在結構上的上浮力或閘門下游端的出口水力梯度均無明顯的影響；在水工結構下打入板樁，使其從四面包圍下游閘門，可在很大程度上降低門下游端的出口水力梯度；與三維分析結果相比，二維分析結果估了浮力(揚壓力)和出口水力梯度值；不同板樁結構通過的最高和最低流量之間的差異約為5%；本文建議在河道下游端將板樁延伸至少2m至渠道兩岸，其能夠顯著降低渠道邊緣的出口水力梯度。

表2 板樁結構對下游浮力和單位面積上平均浮力的影響