水閘消力池不同的排水孔布置消力池底板變化分析

趙 壯

(遼寧省海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200)

水閘具有檔潮、攔洪、抬高上游蓄水位的功能作用，在航運、取水、灌溉等方面發(fā)揮著不可替代的作用。通過分析水閘消力池運行工況及其結(jié)構(gòu)型式，確定底板揚壓力U、底板自重G和底板所承受的水重Wg等因素在很大程度上決定了消力池底板的穩(wěn)定性[1-2]。由于低弗勞德數(shù)低水頭的水閘流速不大、水頭差小，所以可不考慮水流所產(chǎn)生的負壓。實踐表明，泄水時低水頭水閘消力池前端發(fā)生水躍，因消力池前端沒有布置排水孔且底板前后水重形成不平衡力矩，當(dāng)?shù)装蹇箖A覆力矩低于水重和楊壓力U的合力矩時，就會產(chǎn)生底板上抬隆起的現(xiàn)象[3-6]。有學(xué)者認為，《水閘設(shè)計規(guī)范》僅強調(diào)排水孔靠前布置會引起較大的滲透溢出坡降、反濾層和結(jié)構(gòu)的破壞，而忽視了排水孔對降低工程造價、增大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全度及其自身承擔(dān)減少基礎(chǔ)底面揚壓力的重要功能，此條文有所不當(dāng)。鑒于此，針對不同排水孔布置形式下消力池底板的滲流比降和承受的揚壓力變化情況，利用有限元滲流軟件模擬研究，并在此基礎(chǔ)上給出有效的解決方案。

1 研究方法

根據(jù)水閘實際運行情況確定19.50 m的上游水位條件下，工況為單寬流量為24.15 m3/s、1.40 m3/s的水躍三要素，并向有限元滲流模型輸入相應(yīng)的水利條件賦值，如表1。

表1 水躍要素值

2 消力池底板變化分析

2.1 工程概況

大凌河支流某水閘按50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，相應(yīng)的上下游水位為24.30 m、22.58 m，按200 a一遇洪水校核，相應(yīng)的上下游水位為24.46 m、23.12 m。上游鋪蓋高程18.5 m，厚0.6 m，鋪蓋長45.0 m，選用EWS實用堰型，壩高5.0 m，壩身底寬15.0 m，堰頂高程19.50 m，河床高程18.50 m。下游消力池長25.0 m，φ100mm排水孔設(shè)置于消力池后端，底板高程15.00 mm，海漫干砌石、漿砌石長為20.0 m和25.0 m，閘門為13(孔)×5.0 m×12.0 m的鋼制弧形門，防沖槽干砌石長10.0 m。

從下而上水閘閘基地層為強風(fēng)化砂巖、圓礫、中粗砂，其中圓礫及中粗砂為主要透水成，主要物理參數(shù)如表2。透水性較好的土層為閘基底中的砂層，地基滲透系數(shù)的增加會在一定程度上增大底板所承受的滲透壓力，從而導(dǎo)致底板的上臺隆起。

表2 巖層滲流參數(shù)

2.2 計算分析

有限元模型高度19.5 m，計算長度115 m，單元劃分形式以自適應(yīng)的矩形和三角形為主，由此劃分5 642個基本單元。設(shè)計閘基底下圓礫層、中粗砂層達到飽和狀態(tài)，賦予上游段的邊界水頭為24.30 m，考慮以下兩種情況設(shè)置下游水力邊界條件：蓄水條件下，底板高程與底板邊界水頭保持一致；消能泄流條件下，采用分段插值法將水躍要素計算結(jié)果，依次賦予劃分的20小段消力池部位，并模擬泄流時承受不同壓力水頭的各段消力池底板。

消力池前端布置排水孔時鋪蓋的滲透壓力為2 491.18 kN，該條件下溢流壩與鋪蓋的水力梯度i=0.05；消力池后端布置排水孔時鋪蓋的滲透壓力為1 986.70 kN，該條件下溢流壩與鋪蓋的水力梯度i=0.07。可見，兩種工況下鋪蓋自重和水重之和均超過滲透壓力，因此溢流堰和鋪蓋受上游滲透壓力增大的影響較小。通過分析消力池底板受力情況和總水頭線可知，底板前端的滲透壓力在排水孔前置時得以釋放，底板下游側(cè)分布有滲透壓力作用點，而越后水深處于底板下游側(cè)，底板自重及其上覆水重為460 kN、1 052.18 kN，水重和底板自重之和大于滲透壓力320.60 kN。在消力池下游側(cè)布設(shè)排水孔位時，底板的滲透壓力與工程實際情況保持較好一致性，滲透壓力840.25 kN明顯高于布設(shè)于前端的320.60 kN。

然后將揚壓力U、底板自重G和水重Wg對消力池后端點取矩，并利用公式K=(MW+MG)/MU求得抗傾覆系數(shù)K前置=5.92、K后置=1.18。研究表明，后置排水孔安全系數(shù)要遠遠小于前置排水孔，所以排水孔前置能夠有效解決消力池底板前端上臺隆起的問題。考慮到排泄小流量時消力池滲透壓力較小的實際情況，對此不再做深入的探究。

在正常蓄水位(24.30 m)的情況下，消力池前端、后端布置排水孔時底板承受的滲透壓力為178.60 kN和408.21 kN。后端布置排水孔時消力池底板處于無水狀態(tài)，該條件下底板自重460 kN接近于滲透壓力，此時的安全冗余較小，不同工況下的模擬輸出如表3。

表3 滲透壓力模擬輸出

由表3可知，排泄流量較小的情況下，消力池底板滲透壓力受排水孔前置或后置的影響較低；排泄流量較大的條件下，溢流堰底部與消力池前端銜接，消能泄流時消力池前端附近通常出現(xiàn)收縮水深，由于收縮水深附近水深較淺、流速較快，因此底板前端水重較小，水流速度經(jīng)過水躍后變慢，躍后水深較大并使得前端水重遠遠小于消力池后端水重，加之揚壓力作用極易對前端底板造成破壞。該條件下，將排水孔布置于消力池底板前端具有非常明顯的釋放滲透壓力的效果，排水孔前置時較小的滲透壓力有利于減小消力池底板體量，從而減少工程投資。然而，在滲透壓力釋放的同時也會帶來一定的不利影響，如排水孔布設(shè)于前段時增大了水力梯度，這在一定程度上增大了排水孔溢出比降，從而加劇了排水孔反濾的破壞，因此將排水孔布設(shè)于前端時，需要對蓄水期間排水孔反濾定期派人檢查，發(fā)現(xiàn)破壞時要及時維修。

3 結(jié)語

(1)將排水孔按照設(shè)計規(guī)范推薦的方法，布置于消力池后端時能夠明顯降低排水孔周邊的滲流比降，同時也增大了消力池底板前端的滲透壓力，為底板前端上抬隆起創(chuàng)造了客觀條件，為平衡滲透壓力通常要增加底板自重。

(2)前端開孔有利于降低消力池底板前端滲透壓力，同時也會增加排水孔滲透比降以及滲透破壞的概率，為保證安全暢通排水需要對排水孔反濾定期派人檢查。

(3)水閘地基滲流場邊界條件在很大程度上取決于消力池前端布設(shè)的排水孔數(shù)量，對此必須詳細分析不同的運用工況合理確定布孔數(shù)量。