水闸的防渗排水设计分析.pdf

2 0 1 3年第4期 ( 第4 1 卷) 黑龙江水利科技 He i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 42 01 3 ( T o t a l No 4 1 ) 文章编号： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 3 ) o 4 0 0 5 6 0 3 水 闸的 防渗 排水 设计 分析 郑琼丹 ( 乐清市水利局 ， 浙江 乐清 3 2 5 6 0 0 ) 摘要： 水闸属于低水头水工建筑 ， 它利用闸门完成挡水和泄水 ， 多修建于湖泊 、 水库、 渠系、 河 道。首先对水闸的功能进行了概括性的描述， 并对水闸的特点进行了分析 ， 在此基础 上 ， 从防渗排水设计 、 防渗排水设施两个方面对如何做好设计工作进行说明和讨论， 以 期为实际工作的有效开展提供参考和借鉴。进行渗流计算的 目的就是得 出渗流区域 内渗透流速 、 坡降、 压力以及渗流量 的实际数值， 并以此为依据 ， 针对性的选择设计 方法 。 关键词： 水闸； 防渗排水 ； 设计 ； 渗流； 防渗长度 中图分类号 ： T V 6 6 文献标识 码 ： B 1 水 闸的功能概述 水闸属于低水头水 工建筑， 它利用 闸门完成挡 水和泄水 ， 多修建于湖泊 、 水库 、 渠系 、 河道。闸门开 启时， 可以发挥 冲沙 、 排涝 、 泄洪 以及调节 流量的作 用 ； 闸门关 闭时， 可以发挥挡潮 、 拦洪 、 抬高水位 的作 用 j 。在水利 丁程中， 水 闸的使用非常广泛 ， 根据其 使用功能 ， 可将水闸大致分为 6种类型： 1 ) 进水闸。进水闸主要修建在湖泊 、 水库 、 河流 的岸边 ， 其功能是对引水流量进行控制， 作用是满足 供水 、 发电与灌溉的实际需求。在实际工作 中， 进水 闸又被称为渠首闸或取水闸。 2 ) 排水闸。排水闸主要修建在江河 沿岸， 其作 用是将低洼地区或内河中存在的对农作物生长有害 的滞水排 出。在洼地需要蓄水 、 农作物需要灌溉时 ， 可开闸引水 ； 在外河水位远超 内河水位时， 可关 闸避 免倒灌现象。 3 ) 节制闸。节制 闸主要修建在河道 或渠道上 ， 作用是拦洪 、 调节水位和流量 ， 以保障上下游航运需 求 以及下游地区的用水需求。 4 ) 分洪 闸。分洪 闸多修建 于河道 的某一侧 ， 作 用是将洪水 中超过下游河道安全泄量的部分引人分 洪道或分洪区。 5 ) 冲沙 闸。冲沙闸多修建 于泥沙河流上 ， 作用 是排除渠系、 节制闸 、 进水 闸中的泥沙， 避免 闸前河 道以及渠道淤积。除冲沙外 ， 还有专门为漂浮物 、 冰 块排除 所设 置 的排 污、 排 水 闸， 也 属 于 冲 沙 闸 的 范畴 。 6 ) 拦潮 闸。拦潮 闸多设 置于人海河 口处 退潮 时开闸泄水 ， 涨潮时关闸避免倒灌 ， 具备双 向拦水的 功能 。 2 水闸的特点分析 平原水闸的绝大部分都 修建在土基上 ， 与修建 在岩基上的沿岸 泄洪 道相 比， 平原水 闸具有 以下 3 个特点 ： 1 ) 由于土基的承载能力较差 、 压缩性较强 ， 可能 引起大幅度的沉降并最 终导致闸室的倾斜 、 闸门底 收稿 日期 2 0 1 21 2 2 0 【 作者简介 郑琼丹( 1 9 8 2一 ) ， 女， 浙江乐清人， 助理工程师， 从事水利工程管理。 一 5 6 郑琼丹： 水闸的防渗排水设计分析 第 4期 板断裂 、 止水 破坏等 问题 ， 严重 时还 可 以造 成 塑形 破坏 。 2 ) 泄洪时水流对于土基的冲击很容易导致土基 破坏 ， 同时在水 闸下游水位处于动态变化状 态的影 响 ， 设计丁作必 须要 保障消能防 冲设施在任何 条件 下都能满足使用要求 。 3 ) 土基在渗透水流长期作用 的影响下非常容易 发生变形 ， 轻者导致水 闸沉降 ， 重者导致水 闸的断裂 和倒塌。 基于水闸的这些特点 ， 在进行设计 时应 注意 以 下 4个方面的内容 ： 1 ) 科学 、 合理的进行闸址的选择。 2 ) 闸室结构形式应与地基条件相适应 ， 以确保 二者 的稳定性。 3 ) 防渗设计 应高质量进行 ， 以便形成 空间上 的 防渗整体 。 4 ) 防冲、 消能设计应高质量进行 ， 减少危害性 冲 刷出现的可能性 。 3防渗 排水设计 受上下游水位差 的影响 ， 水 闸在建成后 ， 闸基 、 边墩 、 翼墙的背水侧会产生渗流 ， 对建筑物形成 以下 负面影响 ： 使闸室的抗滑稳定性 降低 ， 使边墩和翼 墙的侧向稳定性降低 ； 可能导致地 基渗透变形 ， 严 重时可引起地基破坏； 造成水量损失； 加速地基 内可溶物质的溶解。 而防渗排水设计工作的作用就是对水闸地下轮 廓线进行拟 定 ， 以便更 好地发 挥 防渗排水 的作 用。 下面对设计T作 的具体步骤进行分别讨论 。 。 3 1 防渗长度与地下轮廓设置 3 1 1 确定防渗长度 地下轮廓线实际上指 的就是地基 、 底板 、 板 桩 、 铺盖 的接触线 ， 其长度 与水 闸防渗长度相 等。根据 水闸设计规范 S L 2 6 5 -2 0 0 1的要求， 防渗长度的 计算公式为： C H ( 1 ) 式中 ： C代表渗径系数 ( 根据地基性质进行选择 ) ； H 代表上下游的水位差。 3 1 2 布置地下轮廓 设计人员在进行水 闸地下轮廓 的布置 时， 既可 以参考条件类似工程 的做法 ， 也 可以根据本地实际 合理进行 。为了实现防渗与排水 功能的有 机结合 ， 在上游地 区应采取垂直或水平 防渗 的方 案 ， 在延长 渗径的基础上 ， 进一 步降低 闸基 渗流平均坡降和底 板所承受的渗透压力 。 在下游地 区则应 进行排水反滤设施 的设 置， 通 过对地基渗水 的及 时排 除 降低变形 问题 的发 生概 率 。若水闸为黏性 土地 基 ， 则设计 工作 应围绕底板 所承受渗透压力的降低开展 ， 使 闸室抗滑稳定性得 到进一步提升； 若水闸为砂性土地基 ， 则设计T作 的 重点应放在渗漏 问题 的削弱和渗 透变形的阻止上 ， 以提升地基对于渗透变形 的抵御能力。 3 2 渗流计算 进行渗流计算 的目的就是得出渗流 区域内渗透 流速 、 坡降 、 压力 以及 渗流量的实 际数值 ， 并 以此为 依据 ， 针对性选择设计方法。 在对 闸基渗 流进 行研 究时 ， 可以将其视为平 面 问题 ， 即水闸地基 均匀且各 向同性 ， 渗水不可压缩 ， 且完全符合达西定 律的各项要求。在这种条件下 ， 闸基渗流规律完全符合拉普拉斯 方程的各项要求 ， 计算公式为 ： ，- 一 ， ， O h + ：0 ( 2 ) a a 式中： h为渗透水流在某点的计算水头 ， 被称为水头 函数 。 对于简单的边 界条件 ， 可根据流体力学 的方法 得出相应的结论 ， 但 是在实际操 作的过程 中边界 条 件则非常复杂 ， 所 以必须要采取 一些更加实用 的方 式， 如改进阻力系数法、 流网法等。 若地基复杂程度较低 ， 地下轮廓较为简单 ， 可采 用直线展开法 ； 若地基条件 比较复杂 ， 可采用数值计 算法或电拟试验法 。下面 ， 对 直线展开法进行简单 介绍 。 在对渗透压力进行计算 的过 程 中， 直线展开 法 无疑是一种简便易行 的手段 ， 在对该方法进行应 用 的过程中， 设计人员首先要将地下轮廓的垂直段展 开成为具有相同效 应的水平轮廓 ， 再 以线性 关系为 依据 ， 计算各点的渗透水头 。该方法适用于 。 2 5 7 2 0 1 3年第 4期 ( 第 4 1卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 4 2 0 1 3 ( T o t a l N o 4 1 ) 的情况， 其中 为透水层深度； L 。 为地下轮廓线水平 长度 。具体使用方法如下 ： 3 2 1 展开地下轮廓 图 1为带有一道板桩的地下轮廓 ， 计算公式为： z= + ( 3 ) 式中 ： 可 以将其转化为渗径长度为 Z 的水平轮廓。 各控制点离开端点 A 的横距计算公式为 ： X ，= 0 = +z 1 一s c ，= + z l = c ，+ s + z l +s = c ， + s + z 2 =z ( 4 ) - 1 ， 。 - 图 1 地下轮廓及其展开图 如图 1中右侧水平轮廓线上的 A 一E 5个点就 是图 1左侧原轮廓线各点 的渗透水头。 3 2 2 计算渗透压力 通过对计算公式的简化以及对流体力学有关水 平轮廓线的解答 ， 设计人 员可以获得线性变化关系， 计算公式为 ： = ( 0 8 4 0 6 8 孚) + ( 5 ) 式中： 戈 为 i 点与水平轮廓上游端点 的距离 ； Z 为地 下轮廓展开长度 ； 为势 函数差值；圩为上下游 水头差。 4防渗 排水设施 水闸的防渗设施主要包括地下轮廓所涉及的齿 墙 、 板桩 以及铺盖， 水闸的排水设施 主要包括排水层 和反滤层， 它们大多被设置在护坦和浆砌石海漫的 底部 J 。主要设施为 ： 一 5 8 4 1 齿墙 水闸底板的上游端与下游端是齿墙 的主要设置 位置 ， 它的作用就是对渗径进行进 一步延长 ， 使闸室 能拥有更强的抗滑稳定性 ， 一般来说 ， 齿墙 的设置深 度都在1 m左右 。 4 2 板桩 设计人员在对板桩 长度进行选择时 ， 应该根据 透水层的实际埋藏深度进行针对性判断 ， 此时要注 意避免对以往 程经验 的一味照搬。 4 3 铺盖 铺盖的作用与齿墙相似 ， 都是对渗径进行进一 步延长， 但是铺盖的不透水性和柔性要求相对较高。 一 般来说 ， 沥青 混凝 土 、 黏壤土 、 黏土是铺盖 的主要 材料 ， 部分lT程也采取钢筋混凝土作为建造材料 。 4 4排水层和反滤层 在进行排水层 的设置 时， T作人 员可采取 在护 坦 、 浆砌石海 漫的底部 平铺碎 石 、 砾 石或 卵石 的做 法 ， 粒径的选择应以 1 2 c m为宜。反滤层的设置应 集中在渗流 出口的位置 ， 以便在最 大程度上消除渗 透变形所带来 的不利影响 。 5 结 语 在水闸的防渗排水设计 中， 之所 以进行 闸基 渗 流计算 ， 目的就是得 出渗 流 区域 内渗流 量 、 渗透 流 速、 渗透坡降、 渗透压力的具体数值， 并以此为依据， 针对性 的采取 防渗措施 ， 避免水闸发生渗透变形 问 题， 为水闸寿命的延长提供技术保障。 参考文献 ： 1 杜鑫毒 浅谈水闸水力消能设计 J 中国新技术新产 品 ， 2 0 1 2 ( 1 8 ) ： 9 1 2 陈燕群 铺锦水闸稳定设计与分析 J 技术与市场， 2 0 1 2 ( 8 )： 81 0 3 刘伟峰、 张瑞 农田水利T程中水闸设计的探索 J 科 技创新导报 ， 2 0 1 2( 1 4 ) ： 1 3 3 4 胡关保 关于水利水电丁程中水闸的设计探讨 J 商品 与质量 ： 建筑与发展， 2 0 1 2( 5 ) ： 3 6 5 3 6 6