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你知道水闸设计的渗流计算方法吗?

 渗流是指水在岩土空隙之间的运动,在水利工程、石油化工、环境保护等方面都有广泛的应用。在水闸设计与工作中加入渗流理论,主要还是为计算水闸中水流动向、水的渗透过程以及渗透引起的水闸结构变化。对水闸渗流问题进行研究有助于合理的评价水坝安全指标,提升水闸稳定性,对社会的稳定与发展有重要的意义。

  1.渗流对水闸的影响

  水闸对于调节水坝水流有着重要的作用,而渗流又对水闸工作有重要的影响。许多水闸由于设备不完善,技术不完备,渗流问题十分突出,需要人们进行深入的研究和探讨。

  1.1影响水闸挡水和泄洪
渗流是河流、湖泊、水井集水廊道、水库、水坝等水体周围常见的现象,尤其是水闸周围,由于长时间处于工作或建设阶段,大部分会使水体周边土质松软,水体发生渗流现象的可能性更大。有时水闸处于关闭状态进行挡水,但由于周边土地经常被水体浸泡,再加上水闸建设和日常工作活动,造成附近土质松软,加剧了水的渗透,影响挡水效果。泄洪时也是一样,由于水在岩土缝隙之间的大量运动,容易使周边土壤储存大量水分,影响开闸泄洪的放水效果。

  1.2渗流在闸基不均匀沉降中的作用
实际上,我国大部分大坝都有不同程度的渗水现象,很大程度上是受水的渗流作用影响。水的渗流现象会使大量水分渗入大坝内部,造成大坝身体的湿陷,而每当雨季来临,上游来水猛增,泄洪量骤然增大,水位提升,渗流会加剧对大坝的不利影响。同时,渗流所产生的扬压力会冲击水闸工作质量,极有可能会造成水闸抗滑稳定性下降。而且渗流带来的影响不止在抗滑稳定性方面,对主体大坝的应力分布也有重要影响。

  1.3对抗滑稳定性的影响
抗滑稳定性是衡量一个大坝安全与否的重要指标,这一指标的提升也就意味着水闸结构的稳定性的提升。闸基滑动需要以连续的软弱面作为支撑,下游有足够的临空面供其衔接,很多时候由于水分渗流现象严重,岩土含水量提升,土质变松软,并且会造成岩土之间空隙增大,摩擦力减小,产生大面积的临空面,加剧闸基的滑动。闸室滑移较多会影响水量控制质量,会对大坝造成更深层次的危害,所以闸基闸室要有较高的抗滑系数。

  2.渗流的计算

  2.1改进阻力系数法
改进阻力系数法是将地下轮廓较为复杂的渗流区域分成若干段,对各个分段的受力进行精确计算,得出各个分段的阻力系数,再简单求和累计相加得到水闸受力大小情况。这是常用的渗透计算方法中最为简单的一种,也是使用最广泛的一种。

        2.2有限单元法
有限元方法的基础是变分原理和加权余量法,其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元,在每个单元内,选择一些合适的节点作为求解函数的插值点,根据变分原理或加权余量法,解释出流体力学的数值。主要步骤是:
        第一,控制方程和边界条件,在渗流过程中岩土之间缝隙比率不变的前提下推导出二维渗流数值;
        第二,泛函和变分,精确出外力所做的功;
        第三,渗流场的离散计算,将渗流场划分为若干个常用的三角形单元,通过线性插值求得某面积内的力;第四,单元渗流矩阵与整体平衡方程,对各部分的结果进行汇总整理。

  2.3比较分析法
这种方法主要包括这样几点:
        第一,闸基轮廓线部分点水头值的比较,这需要合理运用阻力系数法;
        第二,闸基渗透压力值比较,根据各个点水分的渗透压力值进行计算;
        第三,出口渗透坡降比较,结合前边考察各点压力值的压力分布情况计算得出。

  3.水闸防渗及处理工作

  3.1高压灌浆法防渗法
高压喷射灌浆技术是利用高压水枪将密度较大的灌浆喷涂在墙面上,以达到防渗透的效果,大体上分为旋转喷射、定向喷射、摆动喷射三种喷涂方式。这种方法施工时间短,设备灵活简便,效果也十分显著。但不同地段墙体质量参差不齐,加上有些地段水流较快,或者砾石直径过大,应谨慎使用这种防渗方法。比如,1994年北港加固时就用这种方法建设混凝土防渗墙,但由于地下水流动活跃,导致防渗墙建设化为乌有,这说明河床两侧地下水渗透压力较大,这是最好采取高压旋转喷射进行防渗墙建设。

  3.2粉喷桩截渗墙进行防渗处理
粉喷桩截渗墙是指通过特制的深层搅拌机械,在地下深层将软土和固化剂搅拌,制作出有一定压缩性的水泥土柱体,从而提升土地承载力和紧实程度。目前我国对水闸地基进行防渗处理主要使用此种方法。几年前,在小清河王道拦河闸工程中,由于灌注桩和部分承台施工完毕,导致换桩难度大,费用高,只好采用粉喷桩截渗墙的方法在已建成桩台周围进行防渗处理,提升土壤紧实度,才有效阻止了渗流情况的发生。

  3.3平原水闸针对侧向渗透破坏的防治措施
针对平原水利工程中的渗流现象,通常要采取的解决方法主要包括三个方面:
       第一,设计方面,灌溉渠道上的进水闸闸身横断面要小,而侧向防渗工作设计中应根据高防低排的原则,与闸下正槽互相配合,最好适当增加反滤层,以减轻侧翼墙的防渗压力;
       第二,施工方面,侧向回填土尽量使用粘性土壤,而且要保证土质纯洁,杂质少,且含水量较少,每层小于30cm,层堆层夯,回填土压实度要高,慎重选择反滤料,保证土壤既不会堵塞反滤层,也不能从反滤层渗出。
       第三,管理方面,定期检查,严格检测水分渗透现象,管理人员落实好职责,坚决杜绝人为因素引起的疏漏和破坏,加强上下游翼墙的修复维护。

  3.4规避大坝不规则沉降风险
着手这几项工作可以有效避免坝体的不均匀沉降:
        1、闸室结构尽量简单,质量较轻,减少对闸底的压力;
        2、合理布局闸室位置,应保证闸室位置与临近结构重量一致;
        3、施工时优先选择大重量构件或建筑,要等这些大型设施施工完毕后自然沉降一段时间,结构趋于稳定后,再选择建设小型构件或建筑。

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