小型擋水閘鋪蓋裂縫影響因素分析

小型擋水閘鋪蓋裂縫影響因素分析

1國(guó)內(nèi)控制力量滲流體系現(xiàn)狀該排水孔是一個(gè)重要的水工建筑物，在各種大小的節(jié)水工程中發(fā)揮著不可替代的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全國(guó)有各類(lèi)大中型水閘4000多座,其中約有一半以上的水閘存在各種各樣的病險(xiǎn)狀況水閘上游的混凝土鋪蓋及閘底板以及下游消力池共同構(gòu)成了一個(gè)水閘的防滲體系,用以控制水閘的滲漏量和維持閘基的滲流穩(wěn)定性2用中醫(yī)藥計(jì)算嵌入界面的滲透流場(chǎng)值2.1鋼筋混凝土閘室該水閘為位于華北平原地區(qū)的一小型擋水節(jié)制閘,見(jiàn)圖1,采用傳統(tǒng)開(kāi)敞式鋼筋混凝土平板鋼閘門(mén)擋水結(jié)構(gòu),該閘共9孔,單孔寬度為10m,鋼筋混凝土閘門(mén)尺寸為10m×7m,閘室總長(zhǎng)100m。閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度16m,閘底板頂高程0.0m,閘墩頂高程8.0m。閘室上游混凝土鋪蓋長(zhǎng)度為18m,閘室下游設(shè)鋼筋混凝土護(hù)坦長(zhǎng)度為21m,采用二道消力坎消能防沖。該小型水閘典型地質(zhì)斷面地質(zhì)情況相對(duì)簡(jiǎn)單,現(xiàn)狀閘基下主要土體材料依次為(3)層黏土、(4)層壤土、(5)層黏土。2.2d單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格內(nèi)各層土體滲透系數(shù)根據(jù)該水閘工程的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖及閘基地質(zhì)情況,建立水閘滲流計(jì)算模型,見(jiàn)圖2。該模型為了簡(jiǎn)化計(jì)算,僅顯示了水閘上游鋪蓋、擋水閘門(mén)、水閘底板以及下游消力池和閘基部分。整個(gè)模型采用2Dsolid單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,閘基部分從上往下地層巖性依次為(3)層黏土、(4)層壤土、(5)層黏土,各層土體滲透系數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算過(guò)程中,在水閘上部及上游閘基表面定義上游水頭為5.5m,在水閘下游消力池有排水孔的部位開(kāi)始定義下游水位為0m。為了詳細(xì)的對(duì)比分析水閘上游鋪蓋裂縫對(duì)閘基滲流場(chǎng)的影響,筆者將總長(zhǎng)為18m的鋪蓋劃分為6段,見(jiàn)圖3。每段長(zhǎng)度為3m,其編號(hào)依次為1~6。其中,每一段鋪蓋里面均有一個(gè)潛在的長(zhǎng)度為0.5m的裂縫區(qū)域。計(jì)算過(guò)程中,采用控制變量的方法,讓1~6號(hào)裂縫分別開(kāi)裂,逐一分析鋪蓋不同部位裂縫對(duì)閘基滲流場(chǎng)的影響性。3結(jié)果表明的績(jī)效評(píng)估3.1鋪蓋內(nèi)部滲透坡降分析通過(guò)對(duì)鋪蓋上游無(wú)裂縫的情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,可以得到該小型擋水閘在正常擋水位為5.5m情況下,閘基的等勢(shì)線分布圖見(jiàn)圖4。由圖4中數(shù)據(jù)可以看出,總水頭數(shù)值從滲流入口處的5.5m均勻地降低至滲流出口處的0.0m,整個(gè)滲流經(jīng)過(guò)上游鋪蓋之后水頭降低至2.5m,經(jīng)過(guò)閘室底板部位之后水頭降低至0.5m,最后通過(guò)下游排水孔段之后降低至下游水位0.0m。由此可見(jiàn),等勢(shì)線分布狀況也相對(duì)比較均勻,這是由于閘基地層分布相對(duì)均勻,材料參數(shù)變換不大所導(dǎo)致的結(jié)果。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理,可以得到正常擋水狀況下,閘基的單寬滲流量為1.0065E-5m借助軟件處理分析,可以得到鋪蓋上游無(wú)裂縫情況下,該小型水閘正常擋水狀況時(shí)閘基內(nèi)部滲透坡降分布云圖見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出,在上游鋪蓋齒墻的底部、鋪蓋與閘底板的連接處以及閘底板下游的齒墻處滲透坡降值相對(duì)較大,滲透坡降等值線分布也相對(duì)比較集中,這是由于這3個(gè)部位分別處于滲流入口、滲流突變以及滲流出口處所導(dǎo)致的結(jié)果。其中,滲流入口處滲透坡降的最大值為0.285,滲流突變部位的滲透坡降最大值為0.147,下游滲流出口位置滲透坡降最大值為0.269,3個(gè)部位的滲透坡降值均小于所在土層的允許滲透坡降值,閘基的滲透穩(wěn)定性相對(duì)較好。3.2滲流高分析滲透坡降的大小是評(píng)價(jià)水閘滲透穩(wěn)定性的重要因素。為了分析閘基滲流過(guò)程中滲透坡降值隨上游鋪蓋裂縫發(fā)生位置的變化規(guī)律,筆者對(duì)上游鋪蓋無(wú)裂縫情況以及鋪蓋1~6號(hào)位置分別發(fā)生裂縫時(shí),鋪蓋及閘底板沿線位置的滲透坡降值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,得到不同工況下閘基滲流滲透坡降圖,見(jiàn)圖6。由圖6中數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,就單一情況而言,與鋪蓋無(wú)裂縫情況相類(lèi)似,上游鋪蓋的滲流入口處、鋪蓋與閘底板連接處以及下游滲流出口處滲透坡降值相對(duì)較大。就多種情況對(duì)比而言,閘基上游鋪蓋中滲透坡降的最大值均發(fā)生在閘基裂縫的發(fā)生位置,并且隨著閘基裂縫位置向下游的延伸,滲透坡降值也相應(yīng)的增大,6號(hào)裂縫對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況的滲透坡降值已達(dá)到0.795,從1號(hào)裂縫到6號(hào)裂縫,相鄰工況之間滲透坡降的增漲值大致保持均勻。閘基鋪蓋與底板的連接部位以及閘基下游滲流出口處,多種工況的滲透坡降值同樣隨著裂縫向下游的開(kāi)展,呈現(xiàn)依次均勻遞增的趨勢(shì),但是變化幅度相對(duì)較小,6號(hào)裂縫對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況中滲流出口出滲透坡降值最大為0.403。3.3總水頭分析為了分析閘基滲流過(guò)程中等勢(shì)線隨著上游鋪蓋裂縫發(fā)生位置的變化規(guī)律,筆者對(duì)上游鋪蓋無(wú)裂縫情況以及鋪蓋1~6號(hào)位置分別發(fā)生裂縫時(shí),鋪蓋及閘底板沿線位置的總水頭沿水流向的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,得到不同工況下閘基總水頭的變化過(guò)程圖,見(jiàn)圖7。由圖7中底板底部總水頭沿水流方向的變化情況可知,當(dāng)上游鋪蓋無(wú)裂縫發(fā)生時(shí),水閘底板的總水頭大致呈現(xiàn)線性遞減的趨勢(shì);當(dāng)上游鋪蓋中存在裂縫時(shí),總水頭值先是遞減然后遞增,直到裂縫部位增至峰值,然后以線性的規(guī)律遞減到下游水頭0m。就多種工況對(duì)比而言,裂縫位置越是靠近下游,總水頭首先遞減然后遞增的區(qū)域越大,且裂縫部位到下游滲流出口位置的總水頭降低速率越大。相比而言,上游鋪蓋無(wú)裂縫情況下總水頭的降低速率最小,水頭變化曲線的波動(dòng)性也最小。3.4滲流量變化情況滲漏量的大小是評(píng)價(jià)水閘閘基抗?jié)B性能的主要參數(shù),也是用于判斷閘基是否需要采用其他防滲措施的主要依據(jù)。為此,筆者對(duì)上游鋪蓋無(wú)裂縫情況以及鋪蓋1~6號(hào)位置分別發(fā)生裂縫時(shí),閘基在不同工況下的滲流量變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,見(jiàn)圖8。從圖8中數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)上游鋪蓋中無(wú)裂縫時(shí),閘基滲流量最小為1.0065e-5m4鋪蓋無(wú)裂縫時(shí)的滲流穩(wěn)定性本文以小型擋水閘為研究對(duì)象,結(jié)合工程實(shí)例,針對(duì)小型水閘上游鋪蓋不同部位出現(xiàn)裂縫時(shí),閘基的滲透坡降、總水頭以及滲流量等因素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明,小型擋水閘在上游鋪蓋無(wú)裂縫時(shí),閘基滲流入口及滲流出口處的滲透坡降值最小,相應(yīng)的總水頭遞減速率最小,水頭變化也相對(duì)比較均勻,閘基滲漏量最小;當(dāng)上游鋪蓋裂縫距離閘室越近時(shí),閘基滲流入口及滲流出口處的滲透坡降值越大,相應(yīng)的總水頭遞減速率越大,水頭