水閘滲流穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變分析

位亞楠

（河北天和咨詢有限公司，河北 石家莊 050021）

在水利工程中，水閘屬于一種低水頭水工建筑物，其修建地點(diǎn)位于河道和渠道上，通過閘門進(jìn)行控制，起到控制流量和調(diào)節(jié)水位的作用。當(dāng)水閘處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，因?yàn)樗鸬綋跛淖饔?，所以上下游水位?huì)存在一定的差異，而水閘需要承受因這種差異而造成的水平推力，推力會(huì)使閘室向下游滑動(dòng)。另外，水位的差異造成上游通過閘機(jī)和繞過兩岸連接建筑物對(duì)下游產(chǎn)生滲透壓力，這種壓力會(huì)造成滲透變形，從而產(chǎn)生工程安全隱患。所以水閘的設(shè)計(jì)必須重視滲流穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變功能。

1 滲流對(duì)水閘的影響

1.1 影響水閘擋水和泄洪

滲流并不僅僅是在水利工程中存在的一種現(xiàn)象，在河流、湖泊等水體附近也會(huì)有滲流現(xiàn)象發(fā)生。但是在水閘周圍，這種現(xiàn)象發(fā)生頻率更高，負(fù)面影響更大。很多水閘建設(shè)及投入使用的時(shí)間較長，這導(dǎo)致對(duì)水體四周的土質(zhì)影響更大，土質(zhì)開始變得松軟，會(huì)導(dǎo)致水體水流的現(xiàn)象日益加劇。而滲流現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)對(duì)水閘的擋水及泄洪能力造成影響。當(dāng)水閘關(guān)閉時(shí)，其需要起到擋水的作用，但滲流現(xiàn)象會(huì)使其擋水能力大大降低。當(dāng)開閘放水時(shí)，水閘起到泄洪的作用，但是滲流現(xiàn)象會(huì)使沿途縫隙間的水運(yùn)動(dòng)更加活躍，從而導(dǎo)致周圍蓄水量增加，為泄洪工作帶來更大壓力。

1.2 滲流在閘基不均勻沉降中的影響

在滲流作用的影響下，很多大壩會(huì)發(fā)生滲水現(xiàn)象，而導(dǎo)致大壩內(nèi)部被滲透入過多水分，造成大壩的濕陷。尤其是在六七月份，這期間若發(fā)生滲流現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致上游水量的大幅度增長，從而為大壩帶來更大的泄洪量，水位的上升對(duì)大壩的泄洪工作帶來極大的影響。另外，滲流會(huì)對(duì)水閘的工作質(zhì)量造成一定的壓力，從而影響水閘的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)大壩的應(yīng)力分布也會(huì)帶來負(fù)面的影響。

1.3 對(duì)抗滑穩(wěn)定性的影響

大壩的安全性主要取決于水閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而水閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗滑穩(wěn)定性息息相關(guān)。只有當(dāng)閘機(jī)滑動(dòng)支撐在連續(xù)的軟弱面上，才能保證下游能夠提供充分的臨空面進(jìn)行銜接。而當(dāng)滲流現(xiàn)象發(fā)生，容易導(dǎo)致巖土含量上增，從而擴(kuò)大巖土間的空隙，導(dǎo)致摩擦力減弱，臨空面增加，使閘機(jī)更加不穩(wěn)定。但閘室的穩(wěn)定性無法保證，將會(huì)減弱水閘對(duì)水量的控制，給大壩帶來更大的壓力。

2 水閘增強(qiáng)滲流穩(wěn)定工作

2.1 高壓灌漿法

高壓噴射灌漿技術(shù)主要是利用高壓水槍的巨大壓力，在墻面上噴涂較大密度的灌漿，通過灌漿密度的增加，從而提高防滲效果。這種方法最大的優(yōu)勢(shì)在于施工時(shí)間較短，所利用的主要設(shè)備為高壓水槍，設(shè)備較小、攜帶方便、使用靈活，另外能夠達(dá)成較好的防滲效果。但是，這種方法在不同地段的墻體上應(yīng)用，會(huì)存在較大的差異性，因此需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。

2.2 粉噴樁截滲墻

粉噴樁截滲墻是通過增強(qiáng)土地的承載力保證水閘順流的穩(wěn)定，提高水閘的防滲能力，也是我國水閘地基最常用的處理方式。這種方法主要是通過特制的深層攪拌機(jī)械，將地下深層軟土與固化劑進(jìn)行融合，形成密度較大的、具有壓縮性的水泥土柱體。

2.3 規(guī)避大壩不規(guī)則沉降風(fēng)險(xiǎn)

若想提高水閘滲流穩(wěn)定性，不僅要減少滲流現(xiàn)象的發(fā)生或減弱其嚴(yán)重程度，還要從水閘本身入手，規(guī)避大壩發(fā)生不規(guī)則沉降的現(xiàn)象。首先，為避免對(duì)閘底造成過大壓力，應(yīng)該建造質(zhì)量較輕且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的閘室。其次，精準(zhǔn)確定閘室的位置，保證閘室位置在重量上與臨近結(jié)構(gòu)相同。最后，在大壩施工時(shí)，建筑的施工順序應(yīng)采取由大到小策略。先行修建體積較大的建筑，使大型設(shè)備擁有沉降時(shí)間，能夠確保其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 應(yīng)力應(yīng)變分析

3.1 無水模型應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析

如圖1 所示，由于整體結(jié)構(gòu)自重的原因?qū)е律嫌伍l底板的前部發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，閘墩受到的最大壓力約為2.14MPa，底板底部承受的最大可拉應(yīng)力值為0.4MPa。因此，在該區(qū)域應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)配筋實(shí)施恰當(dāng)?shù)拇胧?。通過有限元計(jì)算可以得出，在無水狀態(tài)下，該結(jié)構(gòu)符合水閘規(guī)范。但結(jié)合地基條件進(jìn)行研究，若地基條件較差時(shí)，結(jié)構(gòu)沉降量的取值將會(huì)隨之增大，導(dǎo)致水閘底板會(huì)發(fā)生均勻的結(jié)構(gòu)沉降。但完整的水閘結(jié)構(gòu)中，展示承擔(dān)的壓力可通過受力分析得出，在閘墩與水閘底板附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施使結(jié)構(gòu)滿足應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的需求。

3.2 有水模型應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析

通常情況下，閘室和水流之間在垂直方向上的沉降保持均勻，下游的沉降量要比上游的沉降量小一些，在正常條件下，水閘會(huì)受到兩個(gè)方向的壓力，分別是水平方向和豎直方向，若水閘處于凈水條件下，那么水閘中墩受到的力是平衡的，無論是水平還是數(shù)值都是相等的力，水閘兩側(cè)的閘墩受到的力是單一的，這種單一的受力條件最不利。

由于水的重量會(huì)對(duì)水閘底板造成一定的壓力和拉力，因此，在正常條件下，通過有限元計(jì)算，結(jié)果證實(shí)水閘規(guī)范能夠滿足穩(wěn)定性的需求。

Y 軸方向的壓力主要作用在水閘底板的下部和水閘邊蹲兩側(cè)的相鄰部分，另外閘墩底部和水閘中墩之間的相鄰部分也會(huì)受到來自Y 軸方向的壓力，拉力主要作用在雜事和底板相鄰的部分，實(shí)際工程施工過程中，閘墩和底板相鄰部分的應(yīng)力最為集中。

4 結(jié)語

水利工程關(guān)乎民營民生，是不可忽視的基礎(chǔ)工程之一。而在水利工程中，水閘的作用是不容忽視的，水閘的創(chuàng)新與應(yīng)用一直是水利工程中的核心問題。而對(duì)于水閘的滲流穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變分析就是關(guān)系到水利工程的質(zhì)量，關(guān)乎到水利設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行。