某闸测压管实测数据分析及安全稳定验算

郭德强 徐甲傲

（安徽三洲水利建设有限公司 宿州 234000）

1 引言

一般情况下影响水闸整体稳定的荷载主要有水平推力，包括上下游水压力、以及使水闸产生向上的力，即：浮托力、作用在底板上的渗透压力，上下游水压力、浮托力由计算确定，底板下的实际渗透压力值只能从测压管观测得到，测压管观测值能直接反映出水闸上游防渗段的防渗效果及下游逸出点的反滤效果，测压管观测可为闸体稳定性验算提供可靠的依据。而渗透压力的理论值与实际值不一定相同，因此在验算闸体稳定时要根据测压管观测的实际数据计算渗透压力值。本文以某闸某时段的观测数据为例，进行水闸的安全稳定性分析计算。

2 工程概况

某闸按5 年一遇标准设计，排涝水位19.05～18.90m，设计流量344m3/s，排洪水位19.98～19.78m，排洪流量528.0m3/s，设计蓄水位19.0m。工程等别为Ⅲ等中型水闸，堤防、闸室等主要建筑物为3 级，翼墙等次要建筑物为4 级，临时建筑物为5 级。闸室采用钢筋混凝土开敞式结构，闸底板高程14.40m，7 孔，每孔净宽7.0m，总净宽49.0m。闸室垂直水流向总宽74.8m，顺水流向长15.0m，闸室底板为整体式筏式基础，厚1.0m，闸墩上、下游均为半圆型，墩顶高程21.30m。

闸室两侧岸墙为钢筋混凝土空箱式结构，均宽7.9m；闸上游侧采用钢筋混凝土扶壁式翼墙与河岸相连，翼墙平面上呈八字型，翼墙水平投影长度15.0m。闸下游侧采用钢筋混凝土扶壁式翼墙与河岸相连，翼墙平面上呈八字型，翼墙水平投影长度20.0m。闸出口设为挖深式消力池，钢筋混凝土结构，消力池深2.0m，长20.0m，消力池水平段下设长7.5m的反滤层，在消力池后接长35m 的干、浆砌石海漫，前端为长15.0m 的浆砌块石段，其后为长20.0 的干砌块石段。海漫末端设顶宽为8.0m 的防冲槽，顶高程为14.40m，槽深1.5m，底宽6.5m。空箱岸墙、扶臂式翼墙基础采用水泥土粉喷搅拌桩加固，桩径0.5m，桩长平均为10.0m。

闸室上游侧齿墙下布置一道多头小直径水泥土截渗墙，墙厚0.3m，墙深10.0m，伸入6 层重粉质壤土层1.0m，伸入两侧空箱岸墙下各5.0m。

为便于观测闸的运行情况，设计布置了测压管观测和上下游水位观测设施。

3 工程地质情况

勘察揭露的土层自上而下可分6 个自然层，现分述如下：

（1）素填土：以重粉质壤土、粉质粘土为主，灰黄色，可塑状态，属中等压缩性土。层底高程18.75～16.45m，层厚2.0～4.0m。

（2）②层重粉质壤土、粉质粘土：夹薄层粉土，含铁锰结核及砂礓，灰黄色，一般可塑状，局部硬塑状，属中等压缩性土。层底高程11.65～10.55m，层厚5.0～7.2m。

（3）③1层砂壤土：灰黄色，稍～中密，属中等偏低压缩性土。层底高程9.55～8.458m，层厚2.1～2.8m。

（4）④层重粉质壤土：含铁锰结核及砂礓，灰黄色，可塑～硬塑状，属中等压缩性土。层底高程7.65～7.45m，层厚1.0～2.1m。

（5）⑤层砂壤土：灰黄色，稍～中密，属低压缩性土。层底高程4.45～4.25m，层厚3.2m。

（6）⑥层重粉质壤土、粉质粘土：夹薄层粉土，含砂礓，灰～灰黄色，硬可塑～硬塑状，属中等压缩性土。本层未钻穿，揭露最大厚度为7.7m，相应层底高程-0.25m。

闸址处场区地震动峰值加速度值为0.10g，相应地震基本烈度为7 度。

4 水闸的安全稳定性分析计算

4.1 测压管数据观测及渗透压力曲线绘制

根据该闸从2012 年6 月6 日开始至2014 年5月30 日止测压管数据观测资料，分别绘出上游和下游水位差与测压管渗透压力的关系曲线。

根据闸上下游水位差H 值与上游理论渗透压力hx1值，在直角坐标系中绘出H、hx1值关系曲线，结果为一条直线，这条直线表明H、hx1值为一次函数关系，即函数式为hx1＝0.322H,同时根据测压管测得的上游实际渗透压力绘制出与H 的关系曲线，如图1 所示。采用同样的方法绘制出下游测压管理论渗透压力曲线，其函数式为hx2=0.223H,同样根据下游观测资料绘制出下游实际渗透压力曲线，如图2 所示。

4.2 测压管渗透压力特征分析

从图1 和图2 中可以看出理论与实际渗透压力曲线均属一次函数关系，两条直线并不平行，但线条走向趋势是一致的，这表明实际渗透压力小于理论渗透压力，而且随着上下游水头差的增加，两条直线之差增大。

4.3 闸的稳定安全计算

根据设计要求，选用四孔一联在恶劣放水条件下，进行稳定安全计算。恶劣放水条件为：上游水位为19.00m,下游水位为15.5m；上下游水位差为3.5m,根据图1、图2 查出闸室上下游测压管的渗透压力值，由于恶劣放水，底板下的实际渗透压力随之发生变化，作用在闸室底板上的各种荷载组合也随之发生变化，整体稳定将有新的变化，采用地基应力公式、整体稳定安全系数公式计算节制闸遇恶劣放水时的安全情况。

图1 上下游水位差与上游测压管渗透压力关系曲线图

图2 上下游水位差与下游测压管渗透压力关系曲线图

4.3.1 抗滑稳定计算

闸的受力情况分析：闸的主要荷载包括自重、静水压力、浮托力、渗透压力、水重。

（1）水重W

上游水重：

（2）渗透压力P

由此式计算得：

上游齿墙外侧h1=2.829（m）

截渗墙上游侧h2=2.817（m）

根据上下游测压管水头与渗透压力曲线，查出相应位置的渗透压力及截渗墙位置的理论渗透压力，绘制出闸底板下的渗透压力分析图。

查得截渗墙下游侧h3=1.59（m）下游齿墙外侧h4=0.9（m）

作用在底板上的渗透压力为：

（3）浮托力F

（4）静水压力P水

（5）自重G

（6）该闸抗滑稳定安全系数K 的计算

土壤内摩擦系数f0=0.3

作用于水闸上全部荷载对滑动平面的法向分值：

土壤的凝聚力C=3.0（t/m2）

上下游齿墙间土体的剪切面积：

作用于水闸上全部荷载对滑动平面的切向分值：

满足《水闸设计规范》（SL265-2001）规定的3级水闸抗滑稳定安全系数1.25 的要求。

4.3.2 地基应力计算

（1）水重产生的力矩M

①下游水重产生的力矩：M1=-211.04×（7.5-（1.95+0.45+2.7）/2）=-1044.65（t·m）

②上游水重产生的力矩：M2=（1159.2+276.66）×（7.5-（0.3+6.65+0.45+1.59）/2）=4314.76（t·m）

（2）闸底渗透压力产生的力矩MP

根据上下游测压管水头与渗透压力曲线查出相应位置的渗透压力及截渗墙位置的理论渗透压力绘制出闸底板下的渗透压力分析图，见图3。

图3 闸底渗透压力分析图

（3）浮托力产生的力矩MF

上游浮力产生的力矩：

下游浮力产生的力矩：

（4）上下游静水压力产生的力矩MP水

（5）闸自重产生的力矩MG

地基应力计算根据地基应力公式计算：

4.4 分析成果及结论

该闸稳定分析计算成果见表1。

表1 该闸稳定分析计算成果表

根据该闸稳定分析计算成果，地基应力不均匀系数，抗滑稳定安全系数均在允许范围内，说明该闸遇设计标准水位和恶劣放水条件时整体稳定，同时闸的最大渗透坡降小于地基②层的允许坡降，说明闸室下游渗水逸出点土壤颗粒稳定，不会出现管涌和流土现象。该闸到目前为止仍然运行良好。

5 结语

利用低水头时测压管的观测资料分析预测水闸在高水头时运行的安全性具有一定的现实意义。目前很多中型以上水闸都设置了测压管观测设施，施工单位在测压管安装完成后及时按要求认真进行测压管观测，移交时为管理部门提供一份观测分析资料，以校验水闸运行的安全性，为水闸运行管理和后续观测提供依据。运管单位在运行管理期间继续加强观测，在汛期和高水头时可加密观测，不断积累观测资料，对闸的安全运行进行及时预测，充分发挥测压观测设施的作用■