截水環(huán)對(duì)涵管周圍滲流場(chǎng)影響分析

吳 瀚

（撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧撫順 113008）

科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)

截水環(huán)對(duì)涵管周圍滲流場(chǎng)影響分析

吳 瀚

（撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧撫順 113008）

在設(shè)計(jì)和鋪設(shè)水庫(kù)壩體涵管時(shí)，需要對(duì)涵管周圍土體穩(wěn)定性進(jìn)行充分研究。涵周滲流場(chǎng)是影響土體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)因素。本文對(duì)涵周滲流場(chǎng)是否受到截水環(huán)的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：設(shè)置截水環(huán)對(duì)控制涵管周圍滲流流速、出口斷面滲流量、滲透坡降值、涵周滲透坡降有積極作用；截水環(huán)對(duì)控制滲流孔壓無顯著作用。本研究對(duì)提升壩體底部涵管設(shè)計(jì)和施工水平有參考作用。

涵管鋪設(shè)；壩體安全；截水環(huán)；滲流場(chǎng)分析

在水壩運(yùn)行中，人們發(fā)現(xiàn)如果不在涵管方向設(shè)置截水環(huán)，就可能在涵管周圍形成集中滲流，并會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生涵周滲透通道，從而影響涵管周圍土體密實(shí)度［1］。因此，在壩體施工過程中，需對(duì)是否有必要設(shè)置截水環(huán)進(jìn)行研究［2］。進(jìn)一步地，需要對(duì)截水環(huán)數(shù)量、截水環(huán)尺寸對(duì)涵管周圍土體性能的影響進(jìn)行分析。本文通過構(gòu)建涵管截水環(huán)模型對(duì)截水環(huán)數(shù)量等對(duì)滲流場(chǎng)的影響展開研究，希望對(duì)提升水庫(kù)壩體內(nèi)涵管設(shè)計(jì)和鋪設(shè)水平有參考作用。

1 截水環(huán)對(duì)涵周滲流場(chǎng)的影響分析

1.1 截水環(huán)對(duì)滲流流速的影響

為研究不同滲透系數(shù)條件下涵管上下游滲流流速的變化，共設(shè)置10個(gè)截水環(huán)，制作材料均為混凝土，各自厚度、高度均為0.58m，且均分布在每段涵管中部。首先設(shè)置不同滲透系數(shù)條件下涵管頂部滲流初始流速值。圖1為涵管頂部滲流流速變化曲線。由圖1可知，當(dāng)距離大于47m時(shí)，隨著涵管頂軸線距離的增加，不同滲透系數(shù)下的涵管頂部滲流流速呈顯著增波浪形增加特征；在相同軸線距離條件下，滲透系數(shù)越大，滲流流速越高；各滲透系數(shù)下，滲流流速在截水環(huán)處呈現(xiàn)顯著向下波動(dòng)特征，表明截水環(huán)在遏制涵管周圍滲流流速方面有積極作用。

圖1 涵管頂部滲流流速變化曲線

將滲透系數(shù)定為1.0×10-4cm／s時(shí)，兩類涵管周圍滲流流速變化曲線存在顯著差異，如圖2所示。在相同軸線距離下，無截水環(huán)的涵管周圍土體滲流流速值要顯著高于有截水環(huán)的涵管。尤其是在截水環(huán)處，滲流流速更低［3］?？梢?，設(shè)置截水環(huán)能夠顯著降低涵管周圍土體的滲流流速，對(duì)增加涵管周圍土體穩(wěn)定性有積極作用。

圖2 無／有截水環(huán)條件下涵管頂部滲流流速曲線

1.2 截水環(huán)對(duì)滲流流量的影響

如圖3所示，在涵管周圍土體出口斷面處，隨著土體滲透系數(shù)的增加，涵周出口滲流量呈顯著增加特征。

圖3 涵周土體出口斷面處滲流量曲線

現(xiàn)將土體滲透系數(shù)設(shè)置為1×10-4cm／s，則可得到有／無截水環(huán)條件下的涵周出口斷面滲流流量曲線，二者對(duì)比情況如圖4所示。兩類涵管出口斷面滲流量變化曲線存在顯著差異。在相同滲透系數(shù)下，無截水環(huán)的涵管周圍土體出口斷面滲流量值要顯著高于有截水環(huán)的涵管；隨著滲透系數(shù)的增加，二者之間的差值也越來越大?？梢?，設(shè)置截水環(huán)能夠有效控制涵周出口滲流量。

圖4 截水環(huán)對(duì)涵管周圍滲流量的影響曲線

1.3 截水環(huán)對(duì)滲流孔壓的影響

如圖5為滲流孔壓變化曲線。由圖5可知，隨著中心線與上下游距離的增加，滲流孔壓呈顯著降低特征；同等上下游距離下，各滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)的滲流孔壓無顯著差異。

圖5 設(shè)置截水環(huán)條件下涵管頂部滲流孔壓變化曲線

現(xiàn)將滲透系數(shù)設(shè)定為1×10-4cm／s，則可得有／無截水環(huán)條件下涵管頂部滲流孔壓對(duì)比情況，如圖6所示。由圖6可知，同一上下游距離下，兩類涵管周圍土體滲流孔壓值無顯著差異?？梢姡厮h(huán)未能對(duì)控制滲流孔壓起到顯著作用。

圖6 有／無截水環(huán)條件下涵管頂部滲流孔壓變化曲線

1.4 截水環(huán)對(duì)滲流坡降的影響

由圖7可知，設(shè)置截水環(huán)條件下，隨著軸線上下游距離的增加，各滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)的滲透坡降值都呈現(xiàn)出顯著增加特征。

圖7 設(shè)置截水環(huán)條件下涵管頂部滲透坡降變化曲線

現(xiàn)將滲透系數(shù)設(shè)定為1×10-3cm／s，可得有／無截水環(huán)條件下涵管頂部滲透坡降曲線（見圖8），當(dāng)軸線上下游距離相同時(shí)，設(shè)置截水環(huán)后涵管周圍土體滲透坡降值顯著較低；尤其是在截水環(huán)處，滲透坡降值更是低于本節(jié)涵管其他部位。

圖8 截水環(huán)對(duì)涵管頂部滲透坡降的影響

2 截水環(huán)尺寸對(duì)涵周滲流場(chǎng)的影響分析

2.1 截水環(huán)尺寸對(duì)滲流量的影響

如圖9所示，隨著截水環(huán)高度的增加，出口斷面滲流量呈顯著下降特征。尤其是當(dāng)截水環(huán)高度由0.14m降低至0.28m時(shí)，出口流量加速下降。

圖9 不同尺寸截水環(huán)下出口滲流量變化曲線

2.2 截水環(huán)尺寸對(duì)滲透坡降的影響

當(dāng)涵頂軸線上下游距離大于41m時(shí)，同等上下游距離條件下，不同尺寸截水環(huán)所對(duì)應(yīng)的滲透坡降存在一定差異。然而，當(dāng)截水環(huán)高度分布在區(qū)間［0.3，0.6］之間時(shí)，各涵管周圍土體滲透坡降值差異較小?？梢?，只有一定高度范圍內(nèi)的截水環(huán)對(duì)涵周滲透坡降有顯著影響。

2.3 截水環(huán)數(shù)量對(duì)滲流量的影響

當(dāng)截水環(huán)數(shù)量由0增加至2時(shí)，出口滲流量呈快速降低特征；當(dāng)截水環(huán)數(shù)量由2增加至4時(shí)，出口滲流量呈顯著增加特征；當(dāng)截水環(huán)數(shù)量由4增加至10時(shí)，出口滲流量呈緩慢降低特征。可見，總體而言，設(shè)置越多數(shù)量截水環(huán)對(duì)降低出口滲流量越有好的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文就截水環(huán)對(duì)涵周滲流場(chǎng)的影響進(jìn)行了對(duì)比研究，滲流流速在截水環(huán)處呈現(xiàn)顯著向下波動(dòng)特征，表明截水環(huán)在遏制涵管周圍滲流流速方面有積極作用。設(shè)置截水環(huán)能夠顯著降低涵管周圍土體的滲流流速，對(duì)增加涵管周圍土體穩(wěn)定性有積極作用。在相同滲透系數(shù)下，無截水環(huán)的涵管周圍土體出口斷面滲流量值要顯著高于有截水環(huán)的涵管；隨著滲透系數(shù)的增加，二者之間的差值也越來越大。截水環(huán)未能對(duì)控制滲流孔壓起到顯著作用。截水環(huán)對(duì)控制滲流流速有顯著效果?？傮w而言，設(shè)置越多數(shù)量截水環(huán)對(duì)降低出口滲流量越有好的效果。

［1］ 楊昱.基于滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的尾水渠施工期滲流場(chǎng)數(shù)值分析［J］.中國(guó)水能及電氣化，2015（7）：48-50，43.

［2］ 季洪濤.低水頭擋水閘下游排水孔失效對(duì)閘基滲流場(chǎng)影響分析［J］.水利建設(shè)與管理，2016（1）：23-26.

［3］ 李術(shù)才，張立，馬秀媛，等.大型地下水封石油洞庫(kù)滲流場(chǎng)時(shí)空演化特征研究［J］.巖土力學(xué)，2013（7）：1979-1986.

Influence analysis of catch-water ring to seepage field around the culvert

WU Han
（Fushun Water Resources Survey Design Institute，F(xiàn)ushun 113008，China）

When reservoir dam culvert is designed and laid，the stability of solum around the culvert should be studied fully.The seepage field around the culvert is the basic factor to affect solum stability.In the paper，whether the seepage field around the culvert is affected by catch-water ring or not is comparatively analyzed.The results show that the setup of catch-water ring has active role in the aspects of controlling seepage flow velocity around the culvert，seepage flow on the outlet section，seepage slope value and seepage slope around the culvert.The catch-water ring does not have significant effect on controlling pressure of seepage hole.The study has reference role to improve dam bottom culvert design and construction level.

culvert laying；dam safety；catch-water ring；seepage field analysis

TV223.4

A

1673-8241（2016）09-0051-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.09.012