水闸渗流问题的研究

水闸渗流问题的研究

王岩明

王岩明

（滨州市韩墩引黄灌溉管理局，山东，滨州，256621）

【摘要】进入新世纪，科学技术日新月异，各行各业都在迅猛发展，水利工程的建设与发展也不例外。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。

【关键词】渗流；水闸；稳定性；沉降；水利工程

1．渗流对水闸的影响

我国是一个有着悠久水闸历史的国家，建设水闸最早可以追溯到春秋时期。建国后，我国水闸建设也逐渐丰富。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。

4．水闸渗流问题处理典型案例

水闸渗流分析

西南水闸位于北江下游左岸三水西南涌口，与另一侧的芦苞水闸共同控制北江的流量。这里的水闸闸基采用分离式底板，闸室底板作为天然的承力基础，使用木桩作为闸墩桩基的主要材料。水闸前段用粘土覆盖，闸身主体为混凝土底板，闸后消力池建有多个反虑口，并且用大面积的浆砌石和干砌石防止冲槽，避免渗流，在近年来将北江的径流量控制在合理的范围内，对于减轻珠江的洪水有着重要作用。

5．结语

水闸的渗流情况可以有效计算出渗流损失的具体数据，得出水闸渗透稳定性分析，是评价水闸工作情况、检验水利工程质量的重要标准。在设计中有效利用水闸渗流制定防渗方案，避免由于渗流造成的闸基不均匀沉降和闸室的抗滑稳定性偏低等问题，有助于降低建设成本，提升水闸工作质量与使用寿命。我国水闸防渗流方面有一定的成效，但依然存在一些弊端。完善水闸渗流问题的管理与控制还有很多问题亟待解决，促进水闸建设稳定发展之路任重而道远。

参考文献：

[1]高至国,邴志海.理正软件在乌斯浑河四合段堤防渗流分析中的应用[J].黑龙江水利科技.2014年03期