水闸渗流问题的研究陈大雷1霍中迁2解云峰3

水闸渗流问题的研究陈大雷1霍中迁2解云峰3

陈大雷1霍中迁2解云峰3

陈大雷1霍中迁2解云峰3

淮安市水利勘测设计研究院有限公司江苏223005

摘要：水闸地基土壤是透水的，当水闸上、下游存在水位差时，在水头作用下，水流会通过土的孔隙向下游流动，这种水在土中的流动叫做渗流。闸基下的渗流具有一定的压能，称之为渗透压力。渗流对土的颗粒也产生动水压力，这种力大到一定程度，将发生渗透变形。文章就重点展开对这一问题的分析研究。

关键词：水闸；渗流；研究

引言

水闸是利用闸门挡水和泄水的中低水头水工建筑物，一般修建于河道、水库、湖泊、河道、渠系。进行水闸设计是加入渗流的计算，主要是为了计算水闸范围内的水头的分布、确定渗流量、渗流作用于水闸上的力、渗流速度分布及其引起的水闸结构变形。

一、水闸渗流的类型

地基土体结构在渗流作用下发生的变化，统称为渗透变形。渗透变形对建筑物的破坏，往往不可预见，而一经发现，又难以补救，可导致水闸工程的损毁。渗透变形一般可分为流土、管涌、接触冲刷和接触流土等。产生渗透变形的原因，主要是土的性质及土的几何条件，以及水流的条件；前者是内因，它决定渗透变形出现的形式；后者是决定能否产生渗透变形的外因。研究渗透变形的目的，是为了确定土体能够承受的渗流坡降，以采取必要措施保护渗流出口处的基土不受破坏。

1、管涌。管涌主要是指土体内的细颗粒，由于渗流作用在粗颗粒之间的孔隙通道内移动或被带走的现象。细颗粒被带走后，骨架颗粒之间的孔隙增大，渗流流速也随之加大，因而又可能带走较大的颗粒，如此发展下去，会导致流速逐渐增大和更多的土体被冲走并在土体中形成空洞，变成疏松带；严重时，将使建筑物发生沉降、倾斜、断裂，甚至整个水闸垮掉；如果粗颗粒之间的孔隙都被—级一级的细粒所填满，则土体颗粒就不会被渗流带走，从而使管涌停止下来，这是渗透变形走向稳定的一种变化。常见的管涌现象，多发生在闸、坝下游渗流出口处。土体内部细颗粒发生的移动，称为内部管涌。在地下轮廓与地基土的接触面上，或地基内部两种具有不同粒径的相邻土层之间，沿着接触面的渗流也会将细粒带走，这种现象叫做接触冲刷。管涌只在砂类土即非黏件土中发生。黏性土的颗粒之间存在着凝聚力，渗流不易将个别土颗粒从土体中带走，故黏性土中不易产生管涌。

2、流土。新黏土比较容易发生流土。流土发生的过程是，土体在渗透力的作用下膨胀、松动、隆起、断裂直至破坏，较为均匀的砂土也会产生流土、它的表征是所有的颗粒在渗透力的作用下同时悬浮起来。流土一般发生在闸、坝下游地基渗流出口处。

3、接触流土。渗流垂直于两种不同粒径的土层接触面流动时，将—层的细颗粒带入到另一层中去，即为接触流土。水闸下游渗流出口处滤层发生淤堵的现象，便是接触流土。上述渗透变形，可能在地基渗流中单独出现，也可能以多种形式出现。总的来讲，黏性土地基只可能出现流土，不会发生管涌。非黏性土既可能出现管涌，也可能发生流土。

二、闸基稳定性中渗流的作用

1、渗流对闸基影响的原因

水闸事故的原因主要有两个：水闸不均匀沉降；沉降差过大。这两个原因可直接影响水闸的正常运行，影响水闸挡水、泄洪功能。尤其是在洪汛期，上游区域水位偏高，水体对闸门正面荷载过大，水体对闸基扬压力过大，使闸门超过最大负荷，发生事故。在这一过程中就存在渗流作用对闸门的影响：因为渗流的渗透力作用方向与重力反向，使得颗粒之间相互压力下降，从而产生对闸门的扬压力，导致水闸结构不稳定，从而造成水闸事故。闸基渗流的主要危害有：由于沿水闸的渗流对水闸产生扬压力，减轻了水闸有效质量，导致水闸抗滑稳定的下降，沿两岸方向的渗流对翼墙产生水平推力；渗透力或许导致土的渗透变形；渗漏有可能导致大量的水量流失；渗流作用可能加快溶解坝体中可溶解的物质。

2、闸基不均匀沉降中渗流的作用

大坝的地基浸水，一部分原因就是水的渗流作用。渗流作用可导致大坝地基产生湿陷，尤其是雨季随着泄洪量的增大，上游水位增高，随之产生的渗流场将会对大坝地基产生不利影响。渗流作用产生的扬压力减轻了水闸有效质量，导致水闸抗滑稳定的下降。于此同时，渗流作用产生的扬压力也改变了坝体的应力分布。因为水闸的闸基、水闸上游和下游地基使用的建筑材料有差异，建筑材料的差异使得其形变模量及弹性模量等物理属性相应存在不同，所以会产生沉降差；即使相同建筑结构，不同部位产生的渗流量不同，也会使大坝不均匀沉降。渗流计算的目的：渗透稳定分析；坝坡稳定计算；估算渗漏损失。采取以下措施可尽量避免大坝不均匀沉降：闸室结构在设计中避免过重，以降低对闸底的压力；优先施工大重量建筑，大重量建筑施工完毕后，等其自然沉降一段时间，再施工小重量建筑；合理设置闸室位置，尽量使临近结构重量一致。

3、闸室的抗滑稳定性

闸基滑移的类型有四种：浅层滑动；深层滑动；表层滑动；混合型滑动。闸基的滑动条件是闸基有连续软弱面，下游有临空面。要想避免闸室滑移过度，对大坝产生有害影响，闸基必须具有一定量的抗滑安全系数。抗滑稳定性是水闸的一个重要安全指标，这一安全指标需尽量提升，使水闸整体的稳定性也可相应提高。由此，在水闸的设计过程中，将闸门的位置设计在低水位一边，在水闸结构尺寸方面也要加大尺寸，水闸底板向高水位方向加长，闸室底板的齿墙深度也要增大。于此同时，也要增大铺盖长度，并且将排水设施尽量靠近水闸底板。为进一步提高闸室的抗滑稳定性，要设置阻滑板。由于闸室的抗滑稳定系数小于1.0，设置的阻滑板必须达到上裂要求。特别是在平原地域，平原地区多沙土或黏土，水闸的建设更需要加强抗滑稳定性。

四、水闸防渗措施选择

1、铺盖。铺盖设在紧靠闸室底板与上游翼墙之间的渠底部位，其长度—般和上游翼墙相向、它的作用是增加防水段长度，延长渗径，改变渗透力分布，减小渗透比降和流速。水闸的铺盖一般使用混凝土或者黏土，为适应地基变形和温度变化，使用混凝土的铺盖与底板之间以及与翼墙之间应设置沉降缝或伸缩缝，这些缝内均应设置止水设备。

2、齿墙。间空底板的上、下游端一般设有齿墙，其深度为05~20mm，它能延长渗径，起到防渗作用，同时增强底板的阻滑能力，对闸室的纵向稳定有利。

3、反滤层。渗流出口处，往往渗透坡降较大，容易产生渗透变形，故常设反滤层，其作用是排水滤土，防止产生渗透变形。

4、排水设备。排水设备起导向作用，将闸基中的渗水排出，以降低闸底板上的渗透压力。排水设备一般采用透水性很强的材料如砂、砾石或碎石等，渗流由此和下游相连，其中水头与下游水头几乎相同

结束语

在大坝水闸的设计中，加入渗流理论，可以得出水闸的渗透稳定分析、坝坡稳定计算、估算渗漏损失等具体参数。在设计中以此为依据，可以有效地制定防渗方案，避免由渗流导致的闸基不均匀沉降以及闸室的抗滑稳定性偏低等问题，在减少工程造价的同时，有效地提高水闸的使用寿命，降低水闸的事故率。

参考文献：

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