水闸工程设计中土湿吸力计算模型应用研究

彭振宇

（辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），辽宁沈阳 110003）

在水闸工程设计中需要对施工区土体土湿吸力进行分析，从而对水闸稳定性进行设计[1]。相关研究表明[2-8]，含水率是水利工程影响土湿吸力的重要因子，可通过建立土湿吸力和含水率的相关方程来进行土湿吸力的分析。当前，国内主要通过观测试验的方式建立土湿吸力和含水率的相关方程来对土湿系列进行计算，但这种方式代表性较弱，不能对水利工程整体的土湿吸力进行分析。近些年来，非饱和土压强度模型在国内一些大型水利工程得到应用[9-11]，应用结果均表明非饱和土压强度模型对于土湿吸力计算具有一定的精度，可满足水利工程设计要求，但该模型在河道治理工程中还未得到相关应用。为提高河道治理工程设计指标计算的合理性，结合水闸治理工程实际，本文采用非饱和土压强度模型对土湿吸力进行计算，并结合原位观测试验对土湿吸力进行现场测定，从而对计算模型精度进行验证。

1 非饱和土压强度模型

土体表层的湿吸力采用非饱和土压强度计算模型进行计算：

式中：PS为表层土体湿吸力计算值，MPa；σ为法向有效应力，MPa；R为计算土壤颗粒粒径，mm；θ，φ分别为土壤含水率和饱和含水率，%；ω为土壤张力系数。

土体宏观湿吸力的计算方程：

式中：S为土湿吸力理论计算值，MPa。

当土体含水率达到饱和时，土体颗粒间隙容量计算方程：

式中：V1，V2分别为土体圆柱和圆球体积，mm3；r为土体圆柱底部半径，mm；h，R分别为土体侧面高度和圆球底部半径，mm。

土体颗粒孔隙体积V计算公式：

软土地基的含水率w采用土体颗粒孔隙体积进行计算：

对其进行转换计算：

2 土体物理特征指标

以辽宁某水闸工程为具体实例，壤土为该水闸工程施工区域主要土壤质地，其主要物理特征指标如表1 所示。对不同含水率堤防土体采样后，进行恒温密实处理，恒温处理期限一般为10 d，静置和风干2～3 d 后，采用滤纸对各土体样本的土壤含水率进行对比测定。

表1 水闸土体特征值

3 计算成果

3.1 模型计算结果验证

采用非饱和土压强度模型对土体的土湿吸力进行计算，并结合原位观测实验测定值对模型计算精度进行分析，计算精度分析结果如表2 所示。

表2 非饱和土压强度计算模型验证结果

由表2 可知，不同含水率条件下，非饱和土压强度模型计算的土湿吸力和原位观测试验下测定的土体样本的土湿吸力之间误差均在±10.00%以内，精度在许可的误差范围内，说明模型可用于不同土体初始含水率下水闸稳定性指标的对比分析。

3.2 不同初始含水率条件下的土湿吸力计算

结合非饱和土压强度模型计算不同土体含水率下的土湿吸力，并对不同含水率对土湿吸力的影响进行分析，结果如表3 所示。

表3 不同初始含水率θ 条件下土湿吸力计算值

由表3 可知，同一初始含水率条件下，随着含水率的递减，土湿吸力理论计算值S呈现递增变化，而土体湿吸力表层计算值PS呈现逐步递减变化，这主要因为在相同初始含水率条件下，随着含水率不断下降，土体张力系数逐步减小，使得土湿吸力理论计算值S 逐步增加，而土体之间的法向有效应力受含水率递减而逐步增加，使得土体湿吸力表层计算值PS逐步减小。

3.3 不同土湿吸力下的抗剪强度分析

对观测区域河道堤防土体在不同土湿吸力条件下的抗剪强度进行分析，分析结果如表4 所示。

表4 不同土湿吸力下的抗剪强度分析

由表4 可知，当不断增加水闸土体初始含水率后，通过非饱和土压强度计算模型得到的土体抗剪强度逐步减弱；随着土湿吸力的增加，土体颗粒孔隙的摩擦力增强，使得抗剪强度不断加大，当土湿吸力增加到一定程度后，设计水闸的稳定性将有所减弱；当土湿吸力为13.50 MPa 后，水闸土体抗剪强度增幅逐步趋于稳定，其对应的土湿吸力和抗剪强度值可作为水闸设计强度值。

4 结语

文中构建的非饱和土压强度模型计算的土湿吸力和原位观测试验下测定的土湿吸力之间的误差满足许可精度要求，在进行水闸工程设计时，可结合非饱和土压强度计算模型对土湿吸力进行计算，从而确定该水闸工程土体失稳条件下的抗剪强度，并以此作为工程设计重要指标，提高水闸稳定性设计的合理性。