延长反滤在水闸消力池前端的应用分析

2022-12-07朱必方高焱哲

广东水利水电 2022年11期

朱必方，高焱哲

(广州市宏涛水务勘测设计有限公司，广州 510405)

1 概述

根据水闸消力池[1]的结构和其运行工况，消力池底板稳定取决于底板所承受水的压重，底板自重和底板扬压力[2]、水跃引起的脉动压力[3]。低水头水闸消力池前端底板隆起的原因主要是泄水时消力池前端产生的水跃使得消力池底板前后水的压重产生不平衡力矩，且前端没有布设排水孔，当扬压力和脉动压力的合力矩超过消力池底板的抗倾覆力矩，使得底板上抬隆起[4]。茹建辉[5]指出，《水闸设计规范》条文说明第4.3.8条的不当在于只强调了靠前布置排水孔可能存在较大的渗透比降，会使得反滤层遭受破坏从而引起结构破坏。但是忽视了排水孔自身承担减少基础底面上的扬压力，增大工程稳定的安全度和降低工程造价的重要功能。如何正确处理排水孔布设和消力池前端安全稳定，成为消力池设计及应用中的疑难点。

2 水闸基本情况

松柏头水闸设计上游衔接段长36 m，其中抛石护底长为5.00 m，厚为0.50 m，混凝土护底长为10.00 m，厚为1.00 m。水闸闸室段长为10.00 m，厚为1.00 m，水闸底板高程为6.20 m。闸门为平面钢闸门[6]，共计3孔，每孔尺寸为6.00 m×4.50 m。消力池斜坡段长为4.00 m，厚为1.10 m，消力池水平段长为16.00 m，厚为1.10 m。现状桥宽8 m。下游衔接段长为25.00 m，抛石护底厚为0.50 m。水闸平面示意见图1，剖面示意见图2。

图1 松柏头水闸平面示意

图2 松柏头水闸剖面示意

水闸闸基土层从上至下分别为细砂层(顶板高程为6.30～7.20 m，底板高程为0.30～2.70 m，揭露层厚为3.60～5.80 m。不均匀系数1.60，曲率系数0.89，渗透性等级为中等透水，流土型，允许水力坡降0.18)、粗砂层(顶板高程为0.30～2.70 m，底板高程为-3.80～-2.00 m，揭露层厚为2.90～5.60 m。不均匀系数5.08，曲率系数0.93，渗透性等级为强透水，管涌型，允许水力坡降0.15)、粉质粘土及粘土层(顶板高程为-3.80～-2.00 m，底板高程为-10.00～-10.30 m，揭露层厚为6.20～8.00 m。孔隙比0.86，含水率27.33%，渗透性等级为弱透水，流土型，允许水力坡降0.47)，主要的透水层为细砂层及粗砂层，其主要物理力学参数见表1。

表1 土层主要参数

3 反滤排水布设模型

为了分析消力池底板反滤及排水不同布设方案渗透比降、渗漏量及安全稳定系数的影响，本文利用有限元渗流对正常布设反滤+跃后水深下布设排水孔、延长布设反滤+跃后水深下布设排水孔、正常布设反滤+收缩水深下布设排水孔3种布置形式进行计算。

跃后水深下布设排水孔模型的排水孔布置于跃后水深计算点下的消力池4.0 m范围，正常布设反滤为排水孔两侧0.50 m布设最内侧反滤层，延长布设反滤为排水孔上游水平段下满布反滤层，收缩水深下布设排水孔模型的排水孔布置于收缩水深计算点下的消力池4.0 m范围。

反滤布设分为3层，第1层反滤为0.30 m厚中砂层，第2层反滤为0.30 m厚粗砂层，第3层反滤为0.30 m厚碎石层(如图3所示)。

图3 反滤排水布设模型示意

4 水面线简化模型

设计洪水标准为20年一遇，流量为220.18 m3/s，对应上游水位为10.20 m(珠基高程，下同)，下游水位为9.40 m。现状水闸上游左、右岸各有一个灌溉取水口，设计灌溉水位为9.20 m。根据水闸设计规范并结合水闸管理人员的管理经验，选取水位组合情况(见表2)。

表2 水位组合工况 m

骆冠勇等[8]指出，斜坡连接段上水跃的发生不仅改变连接段底板上面水的压重，也改变了渗流场的边界，间接影响了底板下部的扬压力。尤其当连接段底板上设有排水减压孔时，水跃对渗流的干扰作用更加明显。对于消力池底板，安全稳定计算需考虑水跃对水面线的影响。

按照《水闸设计规范》(SL 365—2016)附录B进行消能防冲计算，根据多种工况计算结果，选定消力池深度为1.00 m，斜坡段长度为4.00 m，水平段长度为16.00 m，水跃要素计算结果参数见表3。

表3 水跃要素计算结果

折坡水跃分为A、B、C、D 4种类型，B型水跃是指一部分发生在斜坡段另一部分发生在坡底水平段的水跃，松柏头水闸消力池斜坡段坡比1∶4，杨清[9]指出，0<θ<19°时，带有平底段的斜底渠槽属于B型水跃。为了计算简化，考虑模型采用A型水跃替代，减小了消力池底板上水的重量，增加了渗透比降，使得计算结果偏于安全。

根据水跃要素计算结果，水跃长度分别为15.83 m、14.92 m及9.45 m，方便模拟，水跃长度简化为16.00 m，16.00 m及10.00 m，计算闸前水位、闸后水位、收缩水深、跃后水深及下游水位[10]，通过线性关系简化松柏头水闸水跃后水面线成果，简化后的水面线情况见图4所示。

图4 水面线简化模型示意

5 渗流计算

采用理正岩土渗流分析软件，土层渗透系数根据地质报告并结合《堤防工程手册》选取，细砂层取4.15 m/d，粗砂层取35.00 m/d，反滤中砂层取7.30 m/d，反滤粗砂层取34.56 m/d，反滤碎石层取518.4 m/d。工况1各反滤排水布置流网示意见图5，总水头各点计算值示意见图6，各点比降计算值示意见图7。

图5 工况1流网示意

图6 工况1总水头各点计算值示意

图7 工况1各点比降计算值示意

6 结果分析

工况1情况下，当采用正常反滤+跃后水深布设的排水形式，消力池前段底板承受的扬压力为382.20 kN，最大水平段渗透比降为0.11，当采用延长反滤+跃后水深布设的排水形式，消力池前段底板承受的扬压力为370.83 kN，最大水平段渗透比降为0.12，当采用正常反滤+收缩水深布设的排水形式，消力池前段底板承受的扬压力为197.27 kN，最大水平段渗透比降为0.38。在消力池底板前端布设排水孔释放渗透压力的效果非常明显，但释放渗透压力的同时，渗透比降增加明显，容易产生渗透破坏。

根据不同滤排水形式及不同水位组合共计12种渗流计算结果，形成渗流主要计算结果见表4。

表4 渗流主要计算结果

消力池前段断面4种水位组合下水深分别为1.95～1.49～2.63 m、1.49～0.70～1.66 m、0～0.50 m、0.50～0.20～0.93 m，根据计算4种水位组合下消力池前段水的压重分别为198.55 kN、111.92 kN、39.20 kN、46.94 kN。

消力池前段底板厚1.10 m，自重为288.75 kN。

消力池前段断面3种水位组合下平均流速分别为6.36 m/s、5.26 m/s、3.44 m/s，根据工况1、工况2及工况4下脉动压力[12]分别为67.36 kN、46.15 kN、19.78 kN。

消力池底板安全稳定取决于底板所承受水的压重W，底板自重G和底板扬压力U、水跃引起的脉动压力P。抗倾覆安全系数K1=(MW+MG)/(MU+MP)，抗浮[13]安全系数K2=(W+G)/(U+P)，根据《溢洪道设计规范》，消力池底板抗浮安全系数可取1.00～1.20，结合本工程重要性及级别、地基条件、计算情况等抗倾覆、抗浮正常运行工况安全系数取1.10，非常运行工况安全系数取1.00，工况1、工况2、工况3、工况4均为正常运行工况。安全稳定计算成果见表5。

表5 安全稳定计算成果

采用正常反滤+收缩水深布设的排水形式，工况1抗浮安全系数计算结果为1.08，不满足需大于1.10的要求。采用延长反滤+跃后水深布设的排水形式，渗透压力减小2.97%～16.88%(与采用正常反滤+收缩水深布设的排水形式对比，下同)，渗漏量增大15.39%～57.38%，最大水平渗透比降变化范围为-9.09%～22.22%，安全系数增大2.78%～20.57%。采用正常反滤+收缩水深布设的排水形式，渗透压力减小31.38%～71.84%(与采用正常反滤+收缩水深布设的排水形式对比，下同)，渗漏量增大24.79%～1 506.69%，最大水平渗透比降增大23.08%～263.64%，安全系数增大45.93%～190.07%。

松柏头水闸消力池反滤及排水方案通过对比分析，收缩水深下布设排水孔方案的最大水平渗透比降为0.38、0.40、0.16及0.31，均大于允许限值0.15，为保证渗透安全，不考虑该反滤排水方案。在渗漏量增加0.21～0.89 m3/d的前提下，选用延长反滤+跃后水深布设的排水形式，消力池的安全稳定系数增加了0.03～0.41，且使得抗浮安全系数由不满足正常运行工况要求的1.08变化至满足要求的1.10。