浅析低水头挡水闸下游排水孔失效对闸基渗流场的影响

  作者：郑晓敏

1 引  言

    水闸作为重要的水工建筑物在各类水利工程中发挥着不可替代的作用。据统计，目前全国有各类大中型水闸4000多座，其中约有一半以上的水闸存在各种各样的病险状况。水闸的病险状况主要包括闸基渗流不稳定、闸室不稳定、闸室混凝土老化和损坏严重以及水闸裂缝等问题，其中闸室稳定问题作为病险水闸的普遍问题，不仅影响了工程的正常运用，还给人民的生命财产安全带来了隐患。

    水闸上游的混凝土铺盖及闸底板与下游消力池共同构成了一个水闸的防渗体系，用以控制水闸的渗流量和维持闸基的渗流稳定性。下游消力池底板上的排水孔主要用于降低闸后水头，以此达到降低闸底板扬压力，增加闸室整体稳定性的目的。然而，在水闸常年运行过程中，闸室后消力池底板上的排水孔由于上游淤泥、尘沙、水藻以及其他杂物的淤积，难免会发生堵塞进而导致排水孔失效。因此，很有必要针对水闸下游消力池底板中排水孔失效的状况进行研究分析，以探讨不同排水孔失效情况对闸基渗流场的影响。

2  闸基渗流场数值计算

2.1  工程概况及地质情况

    本文所研究的工程为坐落于海河流域山东省境内的徒骇河节制闸，该闸采用传统开敞式钢筋混凝土平板钢闸门挡水结构，共9孔，其单孔宽度为8m，钢筋混凝土闸门尺寸为8m×7m，闸室总长lOOm。闸室为钢筋混凝土结构，顺水流向长度16m，闸底板顶高程0. Om，闸墩顶高程8.Om，如图1所示。闸室上游混凝土铺盖长度为18m，闸室下游设钢筋混凝土护坦长度为21m，采用消力坎消能防冲。闸基下主要土体材料依次为黏土、壤土和黏土。

2.2计算模型及计算工况

    根据该水闸工程的实际结构图及闸基地质情况，建立了水闸渗流计算模型如图2所示，为了简化计算该模型仅显示了水闸上游铺盖、挡水闸门、水闸底板、下游消力池和闸基部分。整个模型采用2Dsolid单元划分网格，闸基部分从上往下地层岩性依次为黏土层、壤土层和黏土层，各层土体渗透系数如下页表所列。计算过程中，在水闸上部及上游闸基表面定义上游水头为5. Sm，在水闸下游消力池有排水孔的部位开始定义下游水位为Om。

    为了详细对比分析水闸上游铺盖裂缝对闸基渗流场的影响，计算时将总长为21m的铺盖划分为了六段，如图3所示，每段长度为3m，其编号依次为①~⑥。其中，每一段消力池均预先设置好一个长度为0. 5m的排水孔，计算过程中，采用控制变量的方法，让①~⑥号排水孔依次失效，探究下游消力池中不同部位排水孔失效对闸基渗流场的影响。

3计算结果讨论分析

3.1  铺盖无裂缝情况分析

    通过对下游护坦排水孔均有效的情况进行数值计算，可以得到该小型挡水闸在正常挡水位为5. Sm情况下，闸基的等势线分布如图4所示。由图中数据不难看出，总水头数值从渗流入口处的5.5m均匀降低到渗流出口处的0. Om，整个渗流经过上游铺盖之后水头降低至2. Sm，经过闸室底板部位之后水头降低至0.Sm，最后通过下游排水孔段之后降低至下游水位(0.0m)。由此可见，等势线分布状况相对比较均匀，这是由于闸基地层分布相对均匀、材料参数变换不大。对计算结果进行处理后，可以得到正常挡水状况下闸基的单宽渗流量为9.91e-6m3/(s·m)，闸基渗流量相对较小。

    借助软件处理分析，可以得到下游护坦止水有效情况下，该小型水闸正常挡水时闸基内部渗透坡降分布云图如图5所示。从图中可以看出，在上游铺盖齿墙的底部、铺盖与闸底板的连接处以及闸底板下游的齿墙处渗透坡降值相对较大，渗透坡降等值线分布也相对比较集中，这是由于这三个部位分别处于渗流入口、渗流突变以及渗流出口处。其中渗流入口处渗透坡降的最大值为0. 300，渗流突变部位的渗透坡降最大值为0.176，下游渗流出口处渗透坡降最大值为0.395，三个部位的渗透坡降值均小于所在土层的允许渗透坡降值，闸基的渗透稳定性相对较好。

3.2渗透坡降分析

    渗透坡降的大小是评价水闸渗透稳定性的重要因素，为了研究分析闸基渗流过程中渗透坡降值伴随下游排水孔失效位置发生变化的规律，将下游排水孔失效的情况以①~⑥号编号排序，并对闸底板及护坦中排水孔沿线位置的渗透坡降值进行了统计分析，得到不同工况下闸基渗流渗透坡降如图6所示。

由图中数据对比分析可知：就单一情况而言，与排水孔均有效的情况相类似，上游铺盖的渗流入口处、铺盖与闸底板连接处以及下游渗流出口处渗透坡降值相对较大。就多种情况对比而言，闸基下游护坦中渗透坡降的最大值均发生在渗流出口的位置，并且伴随着护坦中排水孔失效位置向下游的延伸，渗透坡降值也相应地降低。⑥号排水孔失效时对应的计算工况的渗透坡降值已达到0. 325，从①号失效排水孔到⑥号失效排水孔，相邻工况之间渗透坡降的降低值大致保持均匀。闸基底板与下游护坦的连接部位以及闸基下游渗流出口处，多种工况的渗透坡降值同样伴随着排水孔的失效向下游拓展，呈现依次均匀递减的趋势，但是变化幅度相对较小，⑥号排水孔失效对应的计算工况中渗流出口处渗透坡降值最大为0. 325。

3.3总水头分析

    为了研究分析闸基渗流过程中等势线伴随下游排水孔失效发生位置的变化规律，将下游排水孔有效的情况以及排水孔①~⑥号位置分别发生失效时，闸底板及护坦沿线位置的总水头沿水流向的变化情况进行了统计分析，得到不同工况下闸基总水头的变化过程如图7所示。

    由图中底板底部总水头沿顺水流方向的变化情况可知：当下游排水孔均有效时，水闸底板的总水头大致呈现线性递减的趋势；当下游护坦中的止水发生失效时，总水头的递减速率明显降低，且0水头点的位置明显延后，也就是说止水失效位置的扬压力同时也在增大。就多种工况对比而言，排水孔失效的位置越是靠近下游，总水头递减的速率越小，相应的闸底板的扬压力越大，相比而言，下游排水孔均有效的情况下总水头的降低速率最大，水头变化曲线的波动性最小。

3.4渗流量分析

    渗流量的大小是评价水闸闸基抗渗性能的主要参数，也是用于判断闸基是否需要采用其他防渗措施的主要依据。为此，将下游排水孔有效的情况以及护坦①~⑥号排水孔依次失效时，闸基在不同工况下的渗流量变化情况进行了统计分析，如图8所示。从图中数据不难看出，当下游排水孔均有效时，闸基渗流量最大为9. 91e-6m3/(s．m)，当水闸下游护坦中排水孔失效位置距离闸底板越远，闸基渗流量越小，6号排水孔位置对应的渗流量值最小为7.25e-6m3/( s·m)。

4结论

    本文以小型挡水闸为研究对象，结合工程实例针对低水头挡水闸上下游护坦中不同部位的排水孔失效时，对闸基的渗透坡降、总水头以及渗流量等因素进行了系统的统计分析，结果表明：小型挡水闸在下游排水孔均有效时，闸基渗流入口及渗流出口处的渗透坡降值最大，相应的总水头递减速率也是最大的，闸底板的扬压力相对较小，闸基渗漏量相对较大；当下游排水孔失效位置距离闸室越远时，闸基渗流入口及渗流出口处的渗透坡降值越小，相应的总水头递减速率越小，闸底板的扬压力相对较大，对应工况的闸基渗流量越小。这一结果表明，水闸下游排水孔失效位置距离闸室越远，闸底板的扬压力值越大，对闸基的渗流稳定性越不利，因此在设计及运行的过程中十分有必要控制下游护坦中排水孔的失效位置和数量。5【摘要】  本文以低水头挡水闸为研究对象，结合工程实例针对低水头挡水闸下游护坦中不同部位的排水孔出现失效时，对闸基的渗透坡降、总水头以及渗流量等因素进行系统的统计分析。结果表明：水闸下游排水孔失效位置距离闸室越远，闸底板的扬压力值越大，渗流量和对应出口处的渗透坡降值越小，对闸基的渗流稳定性越不利。因此在设计及运行的过程中很有必要控制下游护坦中排水孔的失效位置和数量，这样才能保证工程的稳定和安全。