不同板桩结构对水工建筑物渗流的影响研究

黄亚斌

(江西上饶市水利电力勘测设计院，江西 上饶 334000)

目前，许多水工结构建在具有渗透性的土壤上，如堰、拦河闸、水闸和水坝，以上建筑物均配有板桩[1]，其具有防止冲刷和破坏的作用[2]，以上这些结构的传统设计是基于1排或2排沿渠道宽度横向延伸的板桩。目前，大多数渗流计算为基于二维(2D)分析，其限制了对板桩结构的研究[3- 4]。即使在三维(3D)分析中，从河岸渗出的水也被忽略了。一些学者研究了不同渠道宽度对渗漏的影响，其研究发现对于渠道两岸水流的忽略可能会导致错误的分析结果和不准确的渗漏计算[5- 6]。而最近一些学者研究了在不同板桩结构中，考虑渠道两岸水流通过渠道的情况，但其研究有2个严重的局限性：第一，未考虑通过海岸的不饱和水流；其次，只研究了有限数量的板桩结构[7- 10]。

上述研究表明，板桩对渗流损失、作用于结构上的上浮力和出口水力梯度的影响尚未得到充分研究。在以往的大多数研究中，未考虑通过岸边的流量，导致结果不准确。因此，本文的研究目的为：采用van genuchten模型[11- 12]，在考虑渠道两岸渗漏的情况下，研究水工结构在其底部打入不同结构板桩后对渠道底部下游端渗漏损失、上浮力和出口水力梯度的影响。

1 研究方法

本文研究的水工结构尺寸如图1a所示。其位于透水均质各向同性土壤上，深度为6m，水力传导系数为3×10-5m/s。van genuchten模型曲线拟合参数分别取α= 14.5m-1和n=2.68。本文所提的水工结构由闸门、侧挡土墙和闸门上方的结构共同组成，同时在结构下打入一个穿透深度为4m的板桩。模型区的长度为60m，渠道宽度为10m，渠道两岸各延伸10m，其顶部高出渠道河床2m。该结构的不透水层长16m，延伸处穿过渠道一定宽度，两侧设有不透水挡土墙，一直延伸到堤岸高度。渗流通过结构的上下游水头差H=1m产生。图1b给出了用于模拟的有限元网格，共划分11137个节点和9408个单元。因结构关于中心线对称，因此本文只模拟结构的一半。本文首先对中点在底板以下4m的薄板进行二维模拟，并将模拟结果与三维模拟进行比较。其次，在无板桩和添加不同构造板桩的情况下，对该问题进行了三维模拟研究，不同情况下板桩的构造如图2所示。本文采用两点微分法计算出口水力梯度，其通过从垂直方向下方节点的水头中减去门端节点的水头，然后除以两个节点之间的距离来实现的。上浮力仅在下游底板上计算。同时本文按照规定的水头边界建模，其总施加水头为1.0m。下游侧的河床也按照规定的水头边界建模，其水头为零。渗流面采用沿渠道下游的垂直边表示。所有外部垂直边界、底部边界、底部和侧挡土墙都被建模为不透水边界。

图1 研究对象的尺寸和有限元网格

图2 水工结构中板桩的不同受力形态

2 结果分析

2.1 板桩结构影响分析

表1给出了渗流值、下游侧的扬压力以及渠道边缘和中心出口处的水力梯度值。并列出了底板下的流量和包括河岸在内的总流量。表中所列出的渗流、浮力(扬压力)和出口水力梯度值均与从情况a计算的二维解进行归一化处理。可以看出：板桩延伸至河道中央后(如情况b和情况c)，不会明显降低出口处的水力梯度值。虽然情况c中使用的片材堆的长度是情况a的3倍，但出口处的水力梯度值并未减小，因此情况b和情况c的板桩结构不推荐在水工结构中使用。情况e中出现了类似的模拟结果。从三个侧面限制下游河道后，出口处的水力梯度值并未明显降低。情况e中使用的片材堆的长度是情况a的2.6倍。中心出口处水力梯度值下降最快的情况来自d、f、h和i。出口水力梯度的这种显著降低归因于水流渗透长度的增加，对于不同的水头其渗透是恒定的。情况f中的片材堆长度大约为情况d、h和i的2倍，但情况f不是最优的配置。情况e最大程度地减小了浮力，其从三个侧面推动板桩来限制下游的浮力。但此种情况产生了出口高水力梯度值。另一方面，与其他情况相比，其对浮力的减小并不显著。因此，从实际角度来看，不建议采用情况5那样的片材堆。与2D浮力(16.63kN)相比，浮力增加到情况a的140%和情况h的170%。与二维分析相比，三维分析浮力的增加可能是由通过河岸的水流引起的，其在二维分析中并未考虑，说明二维分析得到的渗流结果有时不适用与设计。三维分析获得的总流量相对值大约为二位分析流量值的3.5倍。板桩结构的所有其他情况对渗漏损失几乎没有影响。从不同板桩结构获得的最高和最低流量之间的差异约为5%。

表1 板桩结构对渗流损失、扬压力和出口水力梯度的影响

2.2 附加片材堆延伸效果分析

从上述结果可以明显看出，情况d即闸门中部和下游端有两个板桩的水工结构，是能够显著降低渠道中心出口水力梯度的最佳板桩结构之一。但对于这种情况和上述分析的其他情况来说，渠道边缘的出口水力梯度仍然很高。因此，本文在情况d的基础上，通过将闸门下游端的板桩延伸至渠道两岸，进一步研究了板桩结构对于渗漏的影响，分析结果如图3所示。X为底板伸入岸边的距离，本文研究了以下情况:X= 1、2、4、6、8、10m时，可以看出在河道下游端打入的板桩延伸至渠道两岸后，能够大大降低渠道边缘出口的水力梯度值。当板桩伸入河岸仅2m时，它将渠道边缘的出口水力梯度减小到从上述情况d获得的值的一半。片材堆延伸超过2m只能将出口水力梯度减小很小的数值。渠道边缘出口水力梯度减小的原因是由于渗出的水必须绕着板桩延伸部分流动，其降低了水在渠道流出之前的速度。因此，在设计水工结构时，建议在下游河道末端使用板桩，并将板桩伸至渠道两岸一定长度，其可降低出口处的水力梯度，从而提高结构的抗侵蚀及安全性。但情况b和c中，板桩在底板中间的延伸不会导致出口水力梯度明显降低。与情况d相比，在渠底下游端延伸板桩不会明显改变扬压力、渗漏损失及中心出口处的水力梯度值。

图3 渠道边缘水力梯度值随底板沿河岸边缘延伸长度的变化

2.3 不同底板长度的影响

本文将底板长度增加到了20m，并再次对9种不同的底板构造进行了分析。计算结果见表2，可以看出：不同板桩结构对渗流损失和出口水力梯度的影响类似于16m长的板桩结构，板长为20m的板桩结构产生的下游浮力和单位面积上平均浮力大于板长为16m的板桩结构，中央出口水力梯度降低了约12%。说明增加底板的长度并不总是有利的，虽然其降低了出口水力梯度，但却导致浮力却增加了。表2中下游上浮力的增加不仅是因为底部面积变大，还因为底部长度的增加。情况d、f、h、i产生的下游浮力均较大。

3 结论

本文研究了在水工建筑物底部打入的板桩的不同结构形式对渗流损失、下游扬压力和出口水力梯度的影响。研究结果表明：在闸门中间打入的板桩延伸到渠道两岸后，对作用在结构上的上浮力或闸门下游端的出口水力梯度均无明显的影响；在水工结构下打入板桩，使其从四面包围下游闸门，可在很大程度上降低门下游端的出口水力梯度；与三维分析结果相比，二维分析结果估了浮力(扬压力)和出口水力梯度值；不同板桩结构通过的最高和最低流量之间的差异约为5%；本文建议在河道下游端将板桩延伸至少2m至渠道两岸，其能够显著降低渠道边缘的出口水力梯度。

表2 板桩结构对下游浮力和单位面积上平均浮力的影响