水閘消力池排水孔布置型式研究

林悅奇，徐云乾

(廣東省水利水電科學研究院，廣東省水動力學重點研究實驗室，廣東省山洪災害突發(fā)事件應急技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

根據(jù)水閘消力池的結(jié)構(gòu)和其運行工況可知，消力池底板穩(wěn)定主要取決于底板所承受的水重Wg、底板自重G和底板揚壓力U。對于低水頭低弗勞德數(shù)的水閘[1- 2]，由于水頭差小，流速不大，因此水流引起的負壓忽略不計。廣東地區(qū)低水頭水閘消力池前端底板隆起的原因，認為是在泄水時，消力池前端產(chǎn)生水躍，使得消力池底板前后水重產(chǎn)生不平衡力矩，而且消力池前端沒有布置排水孔，當揚壓力U和水重的合力距超過閘底板的抗傾覆力矩，使得消力池底板上抬隆起[3- 6]。茹建輝指出[7]，SL265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》條文說明第4.3.8條的不當在于它只強調(diào)了靠前布置的排水孔可能存在較大的滲透溢出坡降，會使反濾層遭受破壞從而引起結(jié)構(gòu)破壞。但它忽視了排水孔自身承擔減少基礎(chǔ)底面上的揚壓力，增大工程穩(wěn)定的安全度和降低工程造價的重要功能。本文利用限元滲流計算[8- 9]，研究水閘消力池不同的排水孔布置形式下，消力池底板承受的揚壓力和滲流比降的變化情況，并提出解決建議。

1 分析方法

消力池底板穩(wěn)定涉及的變量分別為：底板上的水重Wg、底板自重G和揚壓力U的計算。

(1)底板自重G可以由幾何尺寸確定。

(2)底板揚壓力U的計算采用SL265—2016推薦的改進阻力系數(shù)法計算，李飛已利用改進阻力系數(shù)法對Geostudio滲流計算模塊進行對比驗證，證明其計算結(jié)果合理準確[10]。故滲流計算采用Geostudio有限元方法計算。

(4)滲流比降J及滲流量采用Geostudio seep進行有限元計算。

根據(jù)水閘的運行工況，計算上游水位在19.30m時，單寬流量為1.39m3/s和單寬流量為23.17m3/s兩個工況下的水躍三要素，計算結(jié)果作為水力邊界條件賦值到有限元滲流計算模型。計算結(jié)果見表1。

表1 水躍要素計算結(jié)果

2 工程概況

某水閘設(shè)計洪水標準為50年一遇，對應上游水位為19.30m，下游水位為17.58m，校核標準為200年一遇，上游水位為19.46m，下游水位為18.13m。剖面圖如圖1所示，上游鋪蓋長40m，厚0.5m，鋪蓋高程為13.5m，堰頂高程為14.50m，堰型為WES型實用堰，壩高4.0m，堰頂高程為14.50m，河床高程為13.50m，壩身底寬15.0m，上游鋪蓋長40.0m，下游消力池長25.0m，消力池后段設(shè)置φ100mm排水孔，消力池底板高程為10.00m，海漫漿砌石長25.0m，干砌石長20.0m，防沖槽干砌石長10.0m，閘門為鋼制弧形門，共13孔，每孔尺寸12.0×5.0m。消力池后段設(shè)置φ100mm排水孔。

圖1 某水閘剖面圖

表2 各巖土層滲流計算參數(shù)

水閘閘基地層從上至下分別為中粗砂、圓礫、強風化砂巖，主要的透水層為中粗砂及圓礫，其物理力學參數(shù)詳見表2。閘基底中的砂層屬于透水性較強的土層，當?shù)鼗鶟B透系數(shù)增大時，溢流堰厚消力池底板承受的滲透壓力亦會增大，容易造成消力池底板上抬隆起。

3 計算分析

計算模型長度為110m，高度14.5m，采用三角形與矩形自適應單元劃分方式，單元邊長為0.5m，共5617個單元。在滲流計算時，閘基底下中粗砂層和圓礫層均按飽和狀態(tài)考慮，上游段賦予19.30m的邊界水頭；下游水利邊界條件設(shè)置分兩種情況：①蓄水時，消力池底板邊界水頭與底板高程一致;②泄流消能時，把消力池劃分為20小段，將水躍要素計算結(jié)果分段插值賦在相應的部位，模擬泄流時消力池底板不同部位承受不同的壓力水頭。有限元滲流計算模型如圖2所示。

圖2 滲流計算模型

當排水孔置于消力池前端時，閘基滲流流網(wǎng)及總水頭線如圖3所示，鋪蓋和溢流堰的水力梯度i=0.05，鋪蓋滲透壓力為2485.28kN；而排水孔置于消力池后端時，閘基滲流流網(wǎng)及總水頭線如圖4所示，鋪蓋和溢流堰的水力梯度i=0.07，鋪蓋滲透壓力為1983.52 kN。兩種情況下，滲透壓力均小于水重和鋪蓋自重之和，故上游部分增大的滲透壓力對鋪蓋和溢流堰的影響較小。對于消力池底板，排水孔前置時釋放了底板前端的滲透壓力，在總水頭線可看出，滲透壓力作用點位于底板下游側(cè)，底板下游側(cè)為躍后水深，底板上水重為1034.88 kN，底板自重450 kN，滲透壓力為318.50 kN小于底板自重與水重之和。當排水孔位于消力池下游側(cè)，底板的滲透壓力為820.75 kN，與工程實際情況相吻合，遠遠大于布設(shè)在前端時的318.5 kN。

圖3 q=23.17m3/s前置排水孔工況總水頭線及流網(wǎng)

圖4 q=23.17m3/s后置排水孔工況總水頭線及流網(wǎng)

圖5 前置排水孔蓄水工況總水頭線及流網(wǎng)

水重Wg、底板自重G和揚壓力U分別對消力池后端點取矩，抗傾覆系數(shù)K=(MW+MG)/MU，求得K前置=5.94、K后置=1.15，根據(jù)計算結(jié)果可知，排水孔前置時安全系數(shù)比后置排水孔高，可避免消力池底板前端出現(xiàn)上抬隆起的情況。由于排泄小流量時，消力池滲透壓力不大，故不再詳細列出。

在水閘處于19.30m正常蓄水工況時，當排水孔布置在前端時，閘基滲流流網(wǎng)及總水頭線如圖5所示，消力池底板承受的滲透壓力為176.40 kN；當排水孔布置在后端時，閘基滲流流網(wǎng)及總水頭線如圖6所示，消力池底板承受的滲透壓力為404.25 kN，消力池底板處于無水狀態(tài)，底板自重450 kN，滲透壓力大小接近底板自重，此時安全裕度小。各計算工況結(jié)果詳見表3。

表3 滲透壓力計算結(jié)果

圖6 后置排水孔蓄水工況總水頭線及流網(wǎng)

從表3可以看出，當宣泄小流量時，排水孔之前后置的消力池底板的滲透壓力并沒有明顯的影響，但宣泄大流量時，消力池前端與溢流堰底部銜接，在泄流消能時，收縮水深通常出現(xiàn)在消力池前端附近區(qū)域，在收縮水深附近區(qū)域，由于流速大，水深較小，所以消力池底板前端水重較小，經(jīng)過水躍后，水流流速變慢，躍后水深較大，使得消力池后端水重遠遠超過前端水重，加上揚壓力作用，更加容易造成前端底板破壞。此時，在消力池底板前端布設(shè)排水孔釋放滲透壓力的效果非常明顯，在前端布設(shè)排水孔時，由于滲透壓力的減小，可以減小消力池底板體量，節(jié)省工程投資。但釋放滲透壓力的同時，亦存在不足之處，在前端布設(shè)排水孔，前端由于水力梯度i的增大，使得排水孔溢出比降增大，排水孔反濾容易破壞，故在前端布設(shè)排水孔時，需在蓄水期間定期派人檢查排水孔反濾及時維護。

4 結(jié)語

(1)按SL265—2016推薦將消力池排水孔往后布置，可以大大降低排水孔附近的滲流比降，但無孔底板前端承受的滲透壓力劇增，容易造成消力池底板前端上抬隆起，因此需要增大底板自重平衡滲透壓力。

(2)在消力池底板前端開孔，減小前端底板滲透壓力，但排水孔的滲透比降會增大，為避免發(fā)生滲透破壞，在蓄水期間，應定期派人檢查維護排水孔，以保證期安全暢通排水。

(3)消力池前端布設(shè)排水孔的數(shù)量多少直接影響水閘地基滲流場的重要邊界條件，其布孔數(shù)量應通過不同的運用工況詳細分析確定。