水闸渗流稳定及应力应变分析

2019-11-28位亚楠

建材发展导向 2019年23期

位亚楠

（河北天和咨询有限公司，河北石家庄 050021）

在水利工程中，水闸属于一种低水头水工建筑物，其修建地点位于河道和渠道上，通过闸门进行控制，起到控制流量和调节水位的作用。当水闸处于关闭状态时，因为它起到挡水的作用，所以上下游水位会存在一定的差异，而水闸需要承受因这种差异而造成的水平推力，推力会使闸室向下游滑动。另外，水位的差异造成上游通过闸机和绕过两岸连接建筑物对下游产生渗透压力，这种压力会造成渗透变形，从而产生工程安全隐患。所以水闸的设计必须重视渗流稳定及应力应变功能。

1 渗流对水闸的影响

1.1 影响水闸挡水和泄洪

渗流并不仅仅是在水利工程中存在的一种现象，在河流、湖泊等水体附近也会有渗流现象发生。但是在水闸周围，这种现象发生频率更高，负面影响更大。很多水闸建设及投入使用的时间较长，这导致对水体四周的土质影响更大，土质开始变得松软，会导致水体水流的现象日益加剧。而渗流现象的产生会对水闸的挡水及泄洪能力造成影响。当水闸关闭时，其需要起到挡水的作用，但渗流现象会使其挡水能力大大降低。当开闸放水时，水闸起到泄洪的作用，但是渗流现象会使沿途缝隙间的水运动更加活跃，从而导致周围蓄水量增加，为泄洪工作带来更大压力。

1.2 渗流在闸基不均匀沉降中的影响

在渗流作用的影响下，很多大坝会发生渗水现象，而导致大坝内部被渗透入过多水分，造成大坝的湿陷。尤其是在六七月份，这期间若发生渗流现象，会导致上游水量的大幅度增长，从而为大坝带来更大的泄洪量，水位的上升对大坝的泄洪工作带来极大的影响。另外，渗流会对水闸的工作质量造成一定的压力，从而影响水闸的稳定性，同时对大坝的应力分布也会带来负面的影响。

1.3 对抗滑稳定性的影响

大坝的安全性主要取决于水闸结构的稳定性，而水闸结构的稳定性与抗滑稳定性息息相关。只有当闸机滑动支撑在连续的软弱面上，才能保证下游能够提供充分的临空面进行衔接。而当渗流现象发生，容易导致岩土含量上增，从而扩大岩土间的空隙，导致摩擦力减弱，临空面增加，使闸机更加不稳定。但闸室的稳定性无法保证，将会减弱水闸对水量的控制，给大坝带来更大的压力。

2 水闸增强渗流稳定工作

2.1 高压灌浆法

高压喷射灌浆技术主要是利用高压水枪的巨大压力，在墙面上喷涂较大密度的灌浆，通过灌浆密度的增加，从而提高防渗效果。这种方法最大的优势在于施工时间较短，所利用的主要设备为高压水枪，设备较小、携带方便、使用灵活，另外能够达成较好的防渗效果。但是，这种方法在不同地段的墙体上应用，会存在较大的差异性，因此需根据实际情况合理选择。

2.2 粉喷桩截渗墙

粉喷桩截渗墙是通过增强土地的承载力保证水闸顺流的稳定，提高水闸的防渗能力，也是我国水闸地基最常用的处理方式。这种方法主要是通过特制的深层搅拌机械，将地下深层软土与固化剂进行融合，形成密度较大的、具有压缩性的水泥土柱体。

2.3 规避大坝不规则沉降风险

若想提高水闸渗流稳定性，不仅要减少渗流现象的发生或减弱其严重程度，还要从水闸本身入手，规避大坝发生不规则沉降的现象。首先，为避免对闸底造成过大压力，应该建造质量较轻且结构不复杂的闸室。其次，精准确定闸室的位置，保证闸室位置在重量上与临近结构相同。最后，在大坝施工时，建筑的施工顺序应采取由大到小策略。先行修建体积较大的建筑，使大型设备拥有沉降时间，能够确保其结构的稳定性。

3 应力应变分析

3.1 无水模型应力应变状态分析

如图1 所示，由于整体结构自重的原因导致上游闸底板的前部发生了应力集中现象，闸墩受到的最大压力约为2.14MPa，底板底部承受的最大可拉应力值为0.4MPa。因此，在该区域应对其结构配筋实施恰当的措施。通过有限元计算可以得出，在无水状态下，该结构符合水闸规范。但结合地基条件进行研究，若地基条件较差时，结构沉降量的取值将会随之增大，导致水闸底板会发生均匀的结构沉降。但完整的水闸结构中，展示承担的压力可通过受力分析得出，在闸墩与水闸底板附近出现拉应力，应该采取相应的措施使结构满足应力应变状态的需求。