截水环对涵管周围渗流场影响分析

吴 瀚

（抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁抚顺 113008）

科学研究及工程设计

截水环对涵管周围渗流场影响分析

吴 瀚

（抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁抚顺 113008）

在设计和铺设水库坝体涵管时，需要对涵管周围土体稳定性进行充分研究。涵周渗流场是影响土体稳定性的基础因素。本文对涵周渗流场是否受到截水环的影响进行了对比分析。结果表明：设置截水环对控制涵管周围渗流流速、出口断面渗流量、渗透坡降值、涵周渗透坡降有积极作用；截水环对控制渗流孔压无显著作用。本研究对提升坝体底部涵管设计和施工水平有参考作用。

涵管铺设；坝体安全；截水环；渗流场分析

在水坝运行中，人们发现如果不在涵管方向设置截水环，就可能在涵管周围形成集中渗流，并会进一步产生涵周渗透通道，从而影响涵管周围土体密实度［1］。因此，在坝体施工过程中，需对是否有必要设置截水环进行研究［2］。进一步地，需要对截水环数量、截水环尺寸对涵管周围土体性能的影响进行分析。本文通过构建涵管截水环模型对截水环数量等对渗流场的影响展开研究，希望对提升水库坝体内涵管设计和铺设水平有参考作用。

1 截水环对涵周渗流场的影响分析

1.1 截水环对渗流流速的影响

为研究不同渗透系数条件下涵管上下游渗流流速的变化，共设置10个截水环，制作材料均为混凝土，各自厚度、高度均为0.58m，且均分布在每段涵管中部。首先设置不同渗透系数条件下涵管顶部渗流初始流速值。图1为涵管顶部渗流流速变化曲线。由图1可知，当距离大于47m时，随着涵管顶轴线距离的增加，不同渗透系数下的涵管顶部渗流流速呈显著增波浪形增加特征；在相同轴线距离条件下，渗透系数越大，渗流流速越高；各渗透系数下，渗流流速在截水环处呈现显著向下波动特征，表明截水环在遏制涵管周围渗流流速方面有积极作用。

图1 涵管顶部渗流流速变化曲线

将渗透系数定为1.0×10-4cm／s时，两类涵管周围渗流流速变化曲线存在显著差异，如图2所示。在相同轴线距离下，无截水环的涵管周围土体渗流流速值要显著高于有截水环的涵管。尤其是在截水环处，渗流流速更低［3］。可见，设置截水环能够显著降低涵管周围土体的渗流流速，对增加涵管周围土体稳定性有积极作用。

图2 无／有截水环条件下涵管顶部渗流流速曲线

1.2 截水环对渗流流量的影响

如图3所示，在涵管周围土体出口断面处，随着土体渗透系数的增加，涵周出口渗流量呈显著增加特征。

图3 涵周土体出口断面处渗流量曲线

现将土体渗透系数设置为1×10-4cm／s，则可得到有／无截水环条件下的涵周出口断面渗流流量曲线，二者对比情况如图4所示。两类涵管出口断面渗流量变化曲线存在显著差异。在相同渗透系数下，无截水环的涵管周围土体出口断面渗流量值要显著高于有截水环的涵管；随着渗透系数的增加，二者之间的差值也越来越大。可见，设置截水环能够有效控制涵周出口渗流量。

图4 截水环对涵管周围渗流量的影响曲线

1.3 截水环对渗流孔压的影响

如图5为渗流孔压变化曲线。由图5可知，随着中心线与上下游距离的增加，渗流孔压呈显著降低特征；同等上下游距离下，各渗透系数对应的渗流孔压无显著差异。

图5 设置截水环条件下涵管顶部渗流孔压变化曲线

现将渗透系数设定为1×10-4cm／s，则可得有／无截水环条件下涵管顶部渗流孔压对比情况，如图6所示。由图6可知，同一上下游距离下，两类涵管周围土体渗流孔压值无显著差异。可见，截水环未能对控制渗流孔压起到显著作用。

图6 有／无截水环条件下涵管顶部渗流孔压变化曲线

1.4 截水环对渗流坡降的影响

由图7可知，设置截水环条件下，随着轴线上下游距离的增加，各渗透系数对应的渗透坡降值都呈现出显著增加特征。

图7 设置截水环条件下涵管顶部渗透坡降变化曲线

现将渗透系数设定为1×10-3cm／s，可得有／无截水环条件下涵管顶部渗透坡降曲线（见图8），当轴线上下游距离相同时，设置截水环后涵管周围土体渗透坡降值显著较低；尤其是在截水环处，渗透坡降值更是低于本节涵管其他部位。

图8 截水环对涵管顶部渗透坡降的影响

2 截水环尺寸对涵周渗流场的影响分析

2.1 截水环尺寸对渗流量的影响

如图9所示，随着截水环高度的增加，出口断面渗流量呈显著下降特征。尤其是当截水环高度由0.14m降低至0.28m时，出口流量加速下降。

图9 不同尺寸截水环下出口渗流量变化曲线

2.2 截水环尺寸对渗透坡降的影响

当涵顶轴线上下游距离大于41m时，同等上下游距离条件下，不同尺寸截水环所对应的渗透坡降存在一定差异。然而，当截水环高度分布在区间［0.3，0.6］之间时，各涵管周围土体渗透坡降值差异较小。可见，只有一定高度范围内的截水环对涵周渗透坡降有显著影响。

2.3 截水环数量对渗流量的影响

当截水环数量由0增加至2时，出口渗流量呈快速降低特征；当截水环数量由2增加至4时，出口渗流量呈显著增加特征；当截水环数量由4增加至10时，出口渗流量呈缓慢降低特征。可见，总体而言，设置越多数量截水环对降低出口渗流量越有好的效果。

3 结 语

本文就截水环对涵周渗流场的影响进行了对比研究，渗流流速在截水环处呈现显著向下波动特征，表明截水环在遏制涵管周围渗流流速方面有积极作用。设置截水环能够显著降低涵管周围土体的渗流流速，对增加涵管周围土体稳定性有积极作用。在相同渗透系数下，无截水环的涵管周围土体出口断面渗流量值要显著高于有截水环的涵管；随着渗透系数的增加，二者之间的差值也越来越大。截水环未能对控制渗流孔压起到显著作用。截水环对控制渗流流速有显著效果。总体而言，设置越多数量截水环对降低出口渗流量越有好的效果。

［1］ 杨昱.基于渗流场与应力场耦合分析的尾水渠施工期渗流场数值分析［J］.中国水能及电气化，2015（7）：48-50，43.

［2］ 季洪涛.低水头挡水闸下游排水孔失效对闸基渗流场影响分析［J］.水利建设与管理，2016（1）：23-26.

［3］ 李术才，张立，马秀媛，等.大型地下水封石油洞库渗流场时空演化特征研究［J］.岩土力学，2013（7）：1979-1986.

Influence analysis of catch-water ring to seepage field around the culvert

WU Han
（Fushun Water Resources Survey Design Institute，Fushun 113008，China）

When reservoir dam culvert is designed and laid，the stability of solum around the culvert should be studied fully.The seepage field around the culvert is the basic factor to affect solum stability.In the paper，whether the seepage field around the culvert is affected by catch-water ring or not is comparatively analyzed.The results show that the setup of catch-water ring has active role in the aspects of controlling seepage flow velocity around the culvert，seepage flow on the outlet section，seepage slope value and seepage slope around the culvert.The catch-water ring does not have significant effect on controlling pressure of seepage hole.The study has reference role to improve dam bottom culvert design and construction level.

culvert laying；dam safety；catch-water ring；seepage field analysis

TV223.4

A

1673-8241（2016）09-0051-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.09.012