关于水闸渗流问题探究

关于水闸渗流问题探究

高繁强王建

高繁强王建

南四湖二级坝水利枢纽管理局277600

摘要:渗流理论在水利、土建、给水排水、环境保护、地质、石油、化工等许多领域都有广泛的应用。在水利工程中，最常用的渗流问题有：土壤及透水地基上水工建筑物的渗漏及稳定，水井、集水廊道等集水建筑物的设计计算，水库及河渠边岸的侧渗等等。渗流对水闸的影响一定程度上影响着水坝的安全指标，水闸渗流问题的研究的目的在于利用渗流理论提升水闸的稳定性。

关键词:渗流稳定性不均匀沉降达西定律

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。

1渗流对水闸的影响

自二战之后，在世界范围内战争对世界各方面的影响逐渐散去，发展经济成为世界各国的发展主题。在全球经济快速发展的过程中，世界级的大型水坝一座座“拔地而起”，为各国经济的发展贡献着自己巨大的力量。于此同时，分布在世界各水域的中小型水坝更是如雨后春笋，在各水域发挥着重要作用。而在水坝之中，水闸是其中一个非常关键的组成部分。中国有着悠久的建造水闸的历史，早在春秋时期就有建造水闸的历史记载;伴随着新中国的成立，我国水闸的建设也是日新月异，建设经验也日渐丰富。水闸按作用可以分为:进水闸、分洪闸、挡潮闸、节制闸、冲沙闸、排水闸等等;按结构可以分为:涵洞式、开敞式和胸墙式。水闸对调节大坝水流量起着关键作用，而渗流对水闸对大坝结构的稳定性有着至关重要的作用。水闸存在着因渗流作用导致不能正常工作的风险，其后果将十分严重，直接影响水闸的挡水和泄洪。尤其是新型水闸，其技术并不完备，对于渗流方面的研究应更加关注。

2闸基稳定性中渗流的作用

2．1渗流对闸基影响的原因

自二战之后，世界范围内在各大水系建起了数万座大坝，然而失事的大坝也不在少数，其中一些就是由大坝的部分建筑事故导致的，特别是水闸的事故对大坝的打击尤为严重。水闸事故的原因主要有两个:1、水闸不均匀沉降;2、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:1、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;2、渗透力或许导致土的渗透变形;3、渗漏有可能导致大量的水量流失;4、渗流作用可能加快溶解坝体中可溶解的物质。

2．2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:1、渗透稳定分析;2、坝坡稳定计算;3、估算渗漏损失。

采取以下措施可尽量避免大坝不均匀沉降:1、闸室结构在设计中避免过重，以降低对闸底的压力;2、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;3、合理设置闸室位置，尽量使临近结构重量一致。

2．3闸室的抗滑稳定性

闸基滑移的类型有四种:1、浅层滑动;2、深层滑动;3表层滑动;4、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。

3渗流的计算

计算渗流，可以计算出水闸的渗透压力、水闸的渗透坡降、水闸的渗流量以及渗流速度。闸基渗流是渗流的一种，属于有压渗流。在计算闸基渗流的过程中，通常将其看做成平面问题，于此同时还需假设建筑地基均匀，地基各方位物理性质一致，渗水看作不可压缩，并且适用达西定律。在这种理想状态下，计算闸基渗流可以用拉普拉斯方程。

在理想状态下，我们可以通过流体力学来计算渗流。但是在实际的工程设计计算时，由于现实条件复杂，无法精确地得到渗流的理论值，所以在实际的工程设计时，一般会采用易于操作并且接近理论值的方法:改进阻力系数法、流网法、直线展开法、数值计算法以及电拟试验法等等。其中当水坝工程中遇到地下情况相对简单，地基也相对简单的非大型工程，我们一般采用直线展开法;而水坝工程中底下轮廓复杂，并且地基繁琐的工程，我们一般采用电拟试验法或者数值计算法。

4结语

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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［5］郑琼丹．水闸的防渗排水设计分析［J］．黑龙江水利科技，2013，04∶56－58．

高繁强（1987.2-），男，山东郓城人，专业方向:水利工程管理

王建（1975.9-），男，山东微山人，专业方向:水利工程管理