（水利工程专业论文）邵仙套闸闸基渗流分析研究.pdf

摘要 水闸是在水利工程建设中广泛应用的一种水工建筑物，渗流是工程设计、施 工以及安全运行的关键因素，地基渗流控制不当会导致闸坝发生渗流事故和破坏， 从而诱发重大质量安全事故。近年来，水利建设管理部门对工程建设安全问题愈 加重视，渗流已成为评价工程社会效益、经济效益、环境效益的重要内容，因此， 对闸坝地基渗流问题进行科学合理地分析与计算具有十分重要的实际意义。 在水闸设计和运行管理中，闸基渗流计算往往占有重要的位置，渗流分析为 选择合理的渗流控制措施以及评价闸坝工程的安全可靠性提供必要的依据。本文 在对邵仙套闸闸基渗流进行系统分析与研究的基础上，对该工程渗流安全性做出 了合理评价。该成果对邵仙套闸工程今后的运行管理有一定的实际指导意义，对 今后同类型工程的设计也有一定的参考价值。 近年来关于闸基的渗流计算己不鲜见，但往往是在设计阶段考虑，以后在工 程实际运行过程中，很少再对闸基渗流问题进行分析及判断工程防渗设施的防渗 效果。 本文用水闸设计规范( s l 2 6 5 - - 2 0 0 1 ) ，复核邵仙套闸工程的防渗长度是否 满足要求、防渗设施是否合理。详细介绍了邵仙套闸闸基渗流现场观测的具体方 法，并依据2 0 0 4 年下半年现场观测数据，对观测资料的可靠性作了系统分析，对 主要观测装置测压管的运行状态作了评判。分别采用改进阻力系数法和基于 有限元法的g e o s l o p e 计算软件，计算了5 种不同上下游水位组合的邵仙套闸闸基 渗流，依据现场观测结果和计算结果，对改进阻力系数法和数值计算方法的计算 精度进行了比较分析。对邵仙套闸闸基地下连续墙深度进行了优化分析，选择了 具有不同地下连续墙深度的共11 种工况，进行了闸基渗流流场计算，从渗流水头 改变量大小、性价比高低等多方面，优化选择地下连续墙深度。 关键词：渗流，测压管，改进阻力系数法，有限元法，g e o s l o p e 软件，地下连续 墙 a b s t r a c t a sak i n do fh y d r a u l i cs t r u c t u r e s ，s l u i c e sa r ew i d e l ya p p l i e di nw a t e rc o n s e r v a n c y p r o j e c t s t h ef o u n d a t i o ns e e p a g ei st h ek e yf a c t o r si nt h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o n , a n ds a f e r u n n i n go f t h es l u i c e s t h ed e s t r o yo f t h es l u i c ef o u n d a t i o nw i l li n e v i t a b l yt a k e np l a c ei f t h e c o n t r o lo v e rt h ef o u n d a t i o ns e e p a g ew a si m p r o p e r l yo p e r a t e d ，t h u s ，t h es e v e r e a c c i d e n to ft h es t r u c t u r e si sm o s tl i k e l yo c c u r r e d i nr e c e n ty e a r s ，a sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni sn a i do nt h es a f e t yo ft h es l u i c ec o n s t r u c t i o n ，t h ef o u n d a t i o ns e e p a g eh a s b e c o m et h ei m p o r t a n ti t e m si na s s e s s i n gt h es o c i a l ，e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t o f t h ew a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t s t h e r e f o r e ，t h es c i e n t i f i ca n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o nf o r t h ef o u n d a t i o ns e e p a g eo ft h es l u i c ed a m sw i l lb eo fv e r yi m p o r t a n c ea n dh a sm u c h p r a c t i c a lv a l u e s b a s i c a l l ys p e a k i n g ，t h es e e p a g ec o m p u t a t i o nf o rt h es l u i c ef o u n d a t i o no c c u p i e sa n i m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ed e s i g na n do p e r a t i o no fw a t e rg a t e s t h es e e p a g ea n a l y s i s p r o v i d e st h en e c e s s a r yr e f e r e n c ef o rs e l e c t i n gt h ep r o p e rs e e p a g ec o n t r o lm e t h o d sa n d e v a l u a t i n gt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es l u i c ep r o j e c t s ，b ys y s t e ma n a l y s i sa n ds t u d y f o r t h ef o u n d a t i o ns e e p a g eo fs h a o x i a ns l u i c e ，t h i sp a p e rp r o v i d e st h er e a s o n a b l e a s s e s s m e n tf o rt h es e e p a g es a f e t yo ft h i sp r o j e c t t h es t u d ym e t h o d sa n dc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e rw i l ls h o wp r a c t i c a li n s t r u c t i o na n dh e l pf o rt h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to f t h es h a o x i a ns l u i c ep r o j e c t ，a l s ow i l lb eh e l p f u la n dv a l u a b l ef o rt h ed e s i g no f t h i sk i n d o f p r o j c o t s i nr e c e n ty e a r s ，t h es e e p a g ec o m p u t a t i o nf o rt h e s l u i c e sf o u n d a t i o nb e c o m e c o m m o n ，b u ti ti so f t e nc o n s i d e r e do n l yi nt h ed e s i g ns t a g e a sam a t t e ro ff a c t ，t h e a n a l y s i sa n da p p r a i s a lf o rt h es e e p a g ee f f e c t i v e n e s so ft h es e e p a g ef a c i l i t i e s i sr a r e l y s e e ni nt h eo p e r a t i o ns t a g e a c c o r d i n gt ot h ec d t e t i o no fs l u i c ed e s i g n ( s l 2 6 5 - 2 0 0 1 ) ，t h es e e p a g el e n g t hi s c h e c k e dt om a k es u r ei tm e e t st h es t a n d a r d sa n dt h es e e p a g ef a c i l i t i e si sr e a s o n a b l e m e t h o do fi o c a l eo b s e r v a t i o nf o r t h ef o u n d a t i o ns e e p a g eo fs h a o x i a ns l u i c ei s s p e c i f i c a l l yp r e s e n t e d b a s e do nt h el o c a l eo b s e r v a t i o nd a t ao ft h es e c o n dh a l fy e a ri n 2 0 0 4 ，t h ed e p e n d a b i l i t yo ft h eo b s e r v a t i o nd a t ai ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y s i z e d ，a n dt h e r u n n i n gs t a t u so ft h em a i no b s e r v a t i o ne q u i p m e n t l i e z o m e t e rt u b ei sj u d g e di nt h i s p a p e r f i v e s i t u a t i o no fs e e p a g eo fs h a o x i a ns l u i c ef o u n d a t i o nu n d e rd i f f e r e n t c o m b i n a t i o no fw a t e rl e v e lb e t w e e nu pa n dl o wr e a c h e sa r er e s p e c t i v e l yc o m p u t e db y i i t h et h e o r yo fi m p r o v e dr e s i s t a n c em e t h o da n dt h en u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r eo f g e o s l o p ew h i c h b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a c c o r d i n gt h el o c a l eo b s e r v a t i o ne s u l t a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h ec a l c u l a t i o np r e c i s i o no fi m p r o v e dr e s i s t a n c em e t h o da n d n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o di sc o m p a r e da n da n a l y s i s e d t oo p t i m i z et h ed e p t ho ft h e u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l so f s h a o x i a ns l u i c ef o u n d a t i o n ，e l e v e n w o r k i n g c o n d i t i o n sw i t hd i f f e r e n td e p t ho fu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l sh a sb e e ns e l e c t e d ，a l s o t h ef l o wf i e l do ft h es l u i c ef o u n d a t i o ns e e p a g eh a sb e e nc a c u l m e d b a s e do ns e v e r a l a s p e c t s ，s u c ha st h ec h a n g es i z eo ft h es e e p a g ew a t e rl e v e l s ，t h e r a t i ob e t w e e n p e r f o r m a n c ea n dc o s ta n ds oo n ，t h ed e p t ho ft h eu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l si s o p t i m i z e d k e y w o r d s ：s e e p a g e ，p i e z o m e t e rt u b e ，i m p r o v e dr e s i s t a n c em e t h o d ，f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ，s o f t w a r eo f g e o s l o p e ，u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l i i i 汤建忠：i ：f f , f i l l 套闸闸基渗流分析研究 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 随着国家西部大开发战略的逐步实施以及国家电力能源结构调整的需要，在新 的世纪里，将在西部掀起水电能源开发的热潮。水利工程中，作为工程建筑来说， 除堤防外，要算闸坝工程发展最早了。掘统计，建国以来，已修建水闸2 6 0 0 0 多 座，其中泄流量1 0 0 0 m 3 s 以上的大型水闸3 0 0 多座，泄流量1 0 0 1 0 0 0 m l s 的中型 水闸约2 0 0 0 座。因此，闸坝工程面广量大，可以说任何一个水利枢纽都少不了闸坝 泄流工程。 闸坝既起挡水作用又要宣泄洪水，是控制水位、调解泄洪流量的建筑物。作为 水工建筑物主要类型的阍坝工程，其破坏或失事自然主要来源于水。从我国1 9 8 1 年统计的2 4 1 座大型水库1 0 0 0 宗事故来看，由于地下水渗流问题而使水库失事的就 占到了3 0 4 0 。山西省东榆林水库副坝坝基表层为砂壤土，以下为粉质砂土。修 建副坝时上游未做好防渗处理，下游挖了排水沟但未做反滤。1 9 7 9 年跨坝前不久， 己发现排水沟有严重漏水和脱坡现象，但未采取补救措施，副坝上游水深仅3 m 就引 起坝基严重管涌，造成附坝溃决0 1 。青海省大水水库筑坝时基础未做处理，坝体施 工质量也较差，1 9 6 5 年蓄水后坝基、坝体发生严重渗漏，但未引起重视，最后由于 坝基管涌溃坝。辽宁省喀左县大东梁水库筑坝时没有清基，坝端与左岸坡结合未加 处理，1 9 7 3 年蓄水后发生绕坝渗漏和坝基管涌导致跨坝。 这些事实都说明工程渗流问题和工程诱发的环境渗流问题越来越多，越来越复 杂，所造成的损失也越来越大。渗流成为工程设计、施工以及工程安全运行的重要 因素，也是评价工程社会效益、经济效益、环境效益的重要内容。因而地下水渗流 问题对于闸坝工程的建设和运行都具有十分重要的意义。 土基上的水闸，由于闸基渗流容易引起管涌、流土、渗漏、闸室滑动、裂缝等 问题，因此在进行水闸设计时，必须进行闸基底渗透压力的计算。在水闸设计和运 行管理中，闸基渗流计算常占有重要的位置。设计水闸时，水闸的地下轮廓的布置， 需借助渗流计算( 渗径长度) 来确定。需通过防渗设计来确定闸底板上的渗透压力、 渗透坡降、渗流出口处的平均出逸坡降。水闸运行管理中，由于实际建成的水闸很 难和设计阶段所预想的完全一样，同时有许多因素会促使运行中的水闸闸基渗流条 件不断变化，因此也需要通过渗流计算来分析水闸的稳定以及拟订加固处理方案。 邵仙套闸在设计时，为了观测邵仙套闸基础的渗透压力，垂直水闸纵轴线从套 闸右岸到左岸布置8 排1 6 支测压管，每排有2 支测压管，共8 列( 见图1 1 邵仙套 扬州人学r ：稃硕士学位论文 闸测压管实景布旨图) ，整个测压管记录由1 9 9 9 年到2 0 0 5 年，积累了较完整的观测 资料，这些资料是分析水闸地基渗流情况的主要依据。由于邵仙套闸自1 9 9 9 年1 1 月投入使用以来，一直未对闸基础的渗透压力进行系统的理论分析。本文正是从这 一点考虑，对邵仙套闸闸基渗流进行系统分析研究，对邵仙套闸工程渗流安全性提 出合理的评价。本文研究成果对邵仙套闸工程今后的运行管理有一定的实际指导意 义，对今后同类型工程的设计也有了一定的参考价值。 图1 1邵仙套闸测压管实景布置图 1 2 国内外研究成果综述 渗流研究起始于1 8 5 6 年达西定律的问世。1 9 世纪6 0 年代裘布衣以达西定律为 基础，研究了地下水的单向稳定运动和平面运动。后来，福希海麦尔、茹可夫斯基、 布西尼斯克等研究了较复杂的稳定渗流问题，导出了渗流的基本微分方程式和潜水 不稳定运动的微分方程，形成了最古老、最经典的地下水动力学理论骨架。1 9 3 5 年 泰斯非稳定井流公式的出现标志着地下水动力学发展到非稳定流的新阶段。泰斯公 式出现5 年以后，雅各布参照热传导理论中的方法建立了地下水运动的偏微分方程。 从2 0 世纪初开始，许多工程技术人员以及研究人员从实践和理论两方面进行了大量 的研究，并取得了许多有价值的成果，既解决了工程中的实际问题，又丰富和发展 了渗流理论。 随着相关学科的不断发展和完善，各类工程实践中的渗流问题日益广泛和复杂。 汤建忠：邵仙套闸闸基渗流分析研究 随着实验方法的逐步改进和提高，以及近代计算技术的发展和计算机在渗流计算中 的广泛应用，渗流逐步形成了自己的理论、研究方法和应用范围的独立学科。同时， 在国内外有许多有关渗流问题方面的专著相继问世，如岩石水力学、地下水力学、 渗流力学、地下水动力学和多孔介质中流体动力学等。在水利方面，国内的南京水 利科学院、河海大学、武汉大学( 原武汉水利电力大学) 及各大设计研究院都作了大 量的研究和实践工作，己有大量的文献资料。 对渗流问题的研究，主要有渗流数值模拟、渗流数学模型、对渗流场的正反演、 工程应用、渗流计算方法、定量解析数学方法求解等几个方面，前人做的工作介绍 如下： 在渗流的数值模拟方面，从二十世纪五十年代至六十年代前期以电网络模拟为 代表的模拟技术逐渐成为研究地下水渗流问题的主要手段，六十年代后期以计算机 为基础的数值模拟技术又使人们在分析地下水问题的能力上获得了突破性进展。数 值模拟方法主要包括有限元法”1 、边界元法“、有限解析法”1 、有限积分法、无限元 分析法州以及新近发展的数值流形法”1 等。 在早期进行的渗流场数值模拟研究中，人们一般只注意饱和渗流区的渗流场模 拟，常用的方法有变网格法和固定网格法。闸坝渗流存在自由面且随时间变化，最 初在进行有限元法计算时，采用变网格迭代求自由面，变网格法沿用了6 0 年代中期 z i e n k i e w i c z 等提出的解有压渗流问题的方法，即将自由面作为可变边界处理，在迭 代过程中修改自由面的位置，使网格发生相应变化，直到自由面位置稳定为止。这 种方法虽然成功的运用于渗流计算，但往往出现单元畸变，造成很大误差，甚至出 现奇异。陈平、李祖贻采用丢弃节点法。张有天、陈平”1 等在剩余流量法的基础上 引用类似于非线性应力分析中的初应力概念提出了用固定边界求解有自由面渗流问 题的初流量法。河湖南水科所吴梦喜和武汉水利电力大学张学勤”提出有自由面渗 流的虚单元法，使固定网格法得到进一步的发展。 在三维渗流的数值模拟方面，冯学敏“”等研究了三维渗流自适应有限元法，建 立了集成网格自动剖分、渗流有限元分析网格调整、后处理等四大模块的四面体单 元h 型自适应系统，但仅限于四面体，精度受到限制，尚需要进一步应用检验。肖 明“通过对引水系统非均质各向异性岩体渗流场的模拟计算，提出了三维非均质各 向异性岩体渗流场的计算方法，并通过不同参数对渗流场影响的研究和各种运行工 况三维渗流场特征的分析，得出了三维各向异性岩体渗流场的一些渗流规律。梁业 国“2 1 等为克服由固定网格法解决有自由面渗流问题存在的不足，提出子单元法的固 扬州大学工程硕十学何论文 定网格法，并用实例对三维数值模拟进行验证。刘中”等根据岩体中水在裂隙网络 内渗流的特点，引用自由面求解的初流量法原理，研究了被多组平行裂隙所构成的 三维裂隙网络有自由面渗流问题。吴梦喜“”等对一般的非饱和渗流有限元计算方法 加以改进，有效的消除了非饱和渗流数值计算中存在的数值弥散现象。张立新”等 对磨盘山水利枢纽区渗流场进行了三维数值模拟研究，结果表明，随着左岸防渗长 度的增加，渗漏量及下游渗流出口渗透比降呈线性趋势减小。 在渗流数学模型方面，王媛“”简述了裂隙岩体渗流两类基本模型( 等效连续介质 模型和离散介质模型) 的基本理论及其有限元模拟，研究了等效连续介质模型的适用 性，并基于水头连续、节点流量平衡的原则，提出了结合上述两种模型优点的耦合 模型，给出了相应的有限元计算格式。张家发”“建立了考虑降雨入渗条件的三维饱 和非饱和稳定非稳定数学模型，进行了三维饱和非饱和稳定非稳定渗流场的有限元 模拟。仵彦卿、柴军瑞“”针对岩体主干裂隙网络渗流特征，建立了岩体三维主干裂 隙网络渗流模型。王恩志“”等根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制，在忽略岩 块渗透性的前提下，建立了由管状线单元、缝状面单元和带状体单元组合而成的三 维裂隙网络渗流数值模型。仵彦卿担0 1 等从碾压混凝土坝的渗透特性出发，提出了混 凝土坝渗流场与应力场藕合分析的数学模型。 在对渗流场的正反演方面，何世斌n u 等利用渗流观测数据，对闸基渗流场进行 正反演数值模拟，提出了建闸前后地下土层从非饱和到饱和的渗流特性。根据地下 水位反演修正渗透系数，张俊霞”1 采用复合形法对渗流的逆问题进行求解，进行了 小浪底工程地下厂房岩层三维渗流计算分析。陈良”1 探讨了渗透系数优化反演分析 的基本原理和方法，应用逐步回归分析的统计方法对东张水库大坝渗流观测资料进 行分析，对水库大坝坝基防渗体的渗流参数进行了优化反演分析，应用非线性有限 元法研究了东张水库重力坝含有缓倾角软弱夹层的坝基应力应变情况。 在工程应用方面，r a f r e e z e 和n e u m a ns r 等”则致力于将饱和非饱和渗流理 论引入闸坝工程渗流计算。张挺等1 对北江大堤西南水闸基础渗漏进行渗漏分析， 对其渗漏监测系统、渗漏条件和渗流稳定性进行了评价。王栋。1 建立了曲线拟合坐 标系下闸下渗流的数学模型。范适生“”对于上弱下强的双层地基，进行了太平驿水 电站闸基渗流控制及防渗效果分析。王晓松。1 给出了半无限深透水地基上闸底板渗 流场的解析解，可用于二维简化情况。许宝田对土体中渗透变形问题从土力学、 渗流力学和系统工程方面进行了研究，分析了土体中可能出现的各种渗透变形形式 的力学机制和变形机制，通过采用不同的方法对土体的渗透变形稳定性进行评价， 汤建忠：邵仙套闸闸基渗流分析研究 对评价结果进行综合研究分析，认为土体中水力坡降是决定土体中是否发生渗透变 形的关键，提出了根据流网计算土体中的水力坡降的方法、简化计算方法和分层计 算方法，在渗透变形防护方面提出了利用扩大防渗墙底部宽度以加大渗径，减小水 力坡降的方法。b i n g j u nl i 和v m o dk g a r g a 研究了堆石溢洪道中渗流的解析解” 和堆石材料中非达西流动的多方面研究“。m u n i r a mb u d h u 和r o g e rg o b i n 0 2 1 研究了 渗流引起的斜坡的不稳定性。m a r i a n og u a r d 。和a n g e l a a p r y m a s 进行了人工湿地 稳定渗流模拟的校核。r i c h a r dl v o l p e 和w i l l i a m e k e l l y 脚1 研究了大坝和库区的渗 流和渗漏问题。a k a r a k a s 和m l k a v v a s 。给出了通常情况下地下水流速的守恒方 程。d j h a g e r t y 和a c p a r o l a “1 进行了堆石铺面的渗流分析。 在渗流计算方法方面，速宝玉等提出了用变分不等式的理论求解稳定渗流问 题的新方法一截止负压法，这种方法直接以扬压力为未知函数，采用罚函数有限元 并结合固定网格迭代确定自由面，能求解任意边界、任意结构的非均质函数各向异 性渗流问题。朱伯芳t m 提出了渗流场分析的新解法，建议把水头函数展开为泰勒级 数，并略去高阶项，每次迭代中只需求解1 次传导矩阵，其余都是简单的回代计算， 大大提高计算效率。朱军3 等针对现有单元矩阵调整法求解无压渗流问题的不足， 提出了改进算法，此法在调整渗透矩阵时对单元不同高斯点取不同的渗透系数，从 而避免了单元被自由面切割部分的体积求解。黄蔚”等对求解含自由面的三维无压 渗流场的边界不确定的非线性问题，在传导矩阵的基础上，提出了丢单元的有限元 算法。陈万吉提出高斯点有限元法1 。黄春娥3 等用条分法与有限元法相结合分析 边坡的稳定性，能适应边界条件较为复杂的渗流场。秦卫星“”等采用面向对象技术， 应用c + + 研制了一个自适应渗流有限元分析系统，该系统具有规范性和客观性。 在解析方法求解渗流问题上，1 9 0 4 年，j b o u s s i n e s q 提出了地下水非稳定流的 偏微分方程式，它与一般的热传导方程式十分相似。1 9 3 5 年c v t h e i s 在此基础上提 出了地下水向承压水井的非稳定流公式，将热传导方程式的求解技术应用到研究地 下水运动规律的领域，并由此开创了现代地下水运动理论的新纪元。1 9 4 0 年j a c o b 参照热传导理论建立了地下水渗流运动的基本微分方程。在此基础上，1 9 5 7 年一 1 9 5 9 年苏联学者逐步建立起完整的弹性方式渗流理论和弹性塑性渗流理论，这些渗 流理论均考虑到岩体介质骨架的不可逆变形的影响。1 9 5 3 年b a 福劳林在研究岩土 介质固结理论的过程中，将其渗透率视为土体孔隙度的函数，且孔隙度本身随着外 加荷载作用而变化。a h 哈万斯基则认为岩土介质的孔隙度是压力的等热函数。这 些基于求解非稳定流的解析法不仅推广了t h e i s 公式，而且建立了地下水越流理论 6 扬州大学工程硕士学位论文 和潜水含水层的非稳定流理论。1 9 6 5 年，o c z i e n k i e w i c z “”和j t i ( y k c h e u n g ) 将有限 元法引入地下水渗流领域。这一阶段的主要特点是出现了各种严格定量的水动力学 方法，从宏观研究入手，用连续介质力学方法对均质液体的各种渗流问题进行了大 量的理论研究，诸如分离变量法、积分变换法( l a p l a c e 变换、h a n k e l 变换、f o u r i e r 变换) 、保角映射法、速端曲线法、g r e e n 函数法、镜像法和b o l t z m a n 。变换等各种 解析方法得到广泛的应用。若从数学角度看，可归结为研究各种各样热传导或位势 理论中的二维边界问题，且大多具有唯形性和图解性的特征。 1 3 本文研究内容 邵仙套闸工程是江都水利枢纽工程的重要组成部分，东侧为高水河、紧邻邵仙 闸，西侧为运盐河、紧邻运盐闸，且上闸首下有邵仙洞，邵仙套闸的闸址地形狭窄， 高水河与运盐河之间的隔堤顶宽只有3 0 4 0 m 宽，地址条件及水系复杂，防渗要求 高。在设计过程中，闸室段是施工期防渗的薄弱部位，采用大开挖施工，显然不可 能，为此，在闸室东侧布置了4 5 c m 厚的挡土防渗钢筋砼地连墙，既减少土方开挖， 又增加了施工期的防渗长度。运盐河侧下游导航墙将高水河与运盐闸分隔，由于场 地条件限制，套闸尽可能靠西布置，因此，导航墙部位堤身截面较小，有的仅靠直 墙墙身挡水，故防渗尤为重要，因此墙前按防渗要求设置防渗铺盖，墙下设地连墙 以加长渗径，并保证出逸坡降低于允许值。空箱式直墙之间均设铜片止水，以策安 全。本文渗流分析的目的是为邵仙套闸工程渗流安全性提出安全的评价，对以后工 程管理有一定的指导意义，并为同类性的工程设计提供可靠的参考依据。 以前对闸基渗流分析的方法1 归纳起来有三大类，即理论分析法、实验分析法 和数值计算法。数值计算法虽然具有较高的仿真度和可靠度，但缺少与实际观测值 的比较分析。本文利用已有的测压管观测资料，进行闸基渗流分析，并与用渗流理 论对闸基作渗流分析的结果进行比较，找出差异，分析原因。 具体的研究内容为： ( 1 ) 用水闸设计规范( s l 2 6 5 - - 2 0 0 1 ) 复核邵仙套闸工程的防渗长度是否满 足要求、防渗设施是否合理。 ( 2 ) 分别用近似计算方法一改进阻力系数法、数值计算软件g e o s l o p e 软件 计算邵仙套闸闸基渗流流场。 ( 3 ) 用改进阻力系数法和数值模拟的计算结果与现场观测结果进行比较分析， 分析计算方法的精度，同时对工程防渗设旌做安全鉴定，并提出合理化建议。 汤建忠：邵仙套闸闸基渗流分析研究 ( 4 ) 用数值计算方法计算多种工况，优化选取地下连续墙深度，以达到较好地 防渗效果。 8 扬州大学工程硕十学位论文 2 渗流基本理论及有限单元法 2 1 概述 在水利水电工程中，水对工程的破坏作用是主要的，地表水流的破坏作用常会 引起人们注意，也较容易发现：而地下水流的渗流冲刷不易发现，常被忽视，有时 一经发现时工程己破坏或不易补救。在渗透水流作用下，土体失去部分承载力及渗 流阻力而产生的变形现象，称为渗透变形。在渗流作用下，土体失去全部承载能力 或渗流阻力，称为渗透破坏。渗透破坏是挡水、防渗工程在运用期及施工期遭受破 坏或失效的主要原因之一。 2 1 1 常见的渗流问题 液体在孔隙介质中的流动为渗流。地下水运动是最常见的渗流实例。在水利、 土建、石油、化工、采矿、地质等许多部门；都涉及有关渗流的问题。水利工程中， 常见的渗流问题有以下几方面： ( 1 ) 经过挡水建筑物的渗流 许多挡水建筑物如坝、围堰，广泛采用透水材料( 如土、堆石) 筑成，水可以通 过建筑物中的孔隙流动。对于一个水库来说，这样就会造成水量损失，此外当渗流 流速过大时，还可能造成土体颗粒的流失，使建筑物丧失稳定性。因此需要掌握渗 流的规律，以便在设计中对上述后果加以估计，并采取相应的措施。 ( 2 ) 水工建筑物地基中的渗流 若水工建筑物的地基是透水的，如土、砂砾石、岩石地基等都不同程度地可以 透水，当水通过地基渗透时，不仅引起水量损失，同样也可以引起地基丧失稳定性。 由于渗流的动水压力作用，在建筑物底部产生向上的扬压力，这对建筑物的稳定也 有不利的影响。 ( 3 ) 集水建筑物的渗流 在灌溉或工业与民用给水中，常用井或廊道等汇集地下所贮藏的水源，这种设 施称为集水建筑物。在土壤改良及建筑施工中，为了降低地下水位，也常采用集水 井或廊道，将地下水集中排走。只有掌握了地下水的流动规律，才能正确选择集水 建筑物的尺寸，计算集水建筑物的供水能力。 ( 4 ) 水库及河渠的渗流 当水库建成以后，库水位抬高，库区周围地下水位也相应抬高，改变了原有地 下水运动状况，可能使原来不受地下水浸润的建筑物地基变为受浸润的状态。库区 汤建忠：邵仙套闸闸基渗流分析研究 的透水层会使水库发生严重的漏水损失。如果原河流系由地下水补给水量，水库建 成后，补给量相应减少。 可见，为了解决生产建设尤其是水利建设中的许多技术问题，都有必要研究渗 透水流的运动规律，包括渗透流速、渗透流量等，了解其对工程的影响。 2 1 2 水闸的渗流 水闸建成挡水后，在上下游水位差的作用下将在闸基及两岸土体内产生渗流， 闸基渗流属于有压渗流；而绕过两岸连接结构的渗流具有自由水面( 浸润面) ，属于 无压渗流闸基渗流对闸室底板产生向上的渗透压力，表现为自下而上的顶托力， 减小了闸室的有效重量，对闸室的抗滑稳定不利。两岸的绕渗，不仅对水闸岸、翼 墙底面产生向上的渗透压力，而且会对墙背产生侧向压力，影响岸、翼墙的稳定和 强度安全。当渗透坡降和渗透流速超过某一限度时，会引起闸基及两岸土的渗透变 形，若渗透变形不能终止而继续发展，将导致水闸塌陷破坏。此外，渗流还会引起 水量损失，可使土中可溶性物质加速溶解。 2 1 3 渗流变形的5 种形式 渗流对土体产生渗流作用力，从宏观上看，这种渗流力将影响坝的应力和变形 状态，应用连续介质力学方法可以进行这种分析。从微观上看，渗流力作用于无粘 性土的颗粒以及粘性土的骨架上，可使其失去平衡，产生以下几种形式的渗流变形： ( 1 ) 管涌：指坝体和坝基土体中部分颗粒被渗流水带走马观花现象。细颗粒被 带走后，孔隙扩大，管涌还将进一步发展。一般将管涌区分为内部管涌与外部管涌 两种情况，前者颗粒移动只发生于坝体内部，后者颗粒可被带出坝体之外。管涌只 发生于无粘性土中。 ( 2 ) 流土：指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常 见于渗流从坝下游逸出处。 ( 3 ) 接触冲刷：指细粒土( 砂土或粘土) 与粗粒土交界面上，细粒土被渗流水 冲动发生破坏的现象。此时渗流方向与交界面平行。 ( 4 ) 剥离：指粘性土与粗粒土接触面上，由于渗流作用使土颗粒与整体结构分 离的现象。剥离可发生于粘性土与反滤层交界面处。 ( 5 ) 化学管涌：指土体中的盐类被子渗流水溶解带走的现象。 l o 扬州大学i = 稃硕士学位论文 2 2 渗流基本理论 2 2 1 达西定律 达西定律m 1 可表示为： q ：a k 挚或矿：u( 卜1 ) l 式中q 为渗流量，a 为横截面积，h 为水头，为渗径，v 为断面a 上平均渗 透速度，为渗透系数，j 为渗透坡降。任意点流速在三个坐标方向的投影为 将该式普遍化到各向异性渗透时，可写为 矿。= 一七 v ，= 一k v 。= 一k o h 缸 搠 砂 o h 出 或写为向量形式： 矿= 一k g r a d h ( 2 q ) 式中、圪表示渗透速度向量在沿x 、y 、z 方向的分量，k ，、k ，、k ：表 示x 、y 、z 方向的渗透系数。达西定律的上限为临界雷诺数r e 约在l 1 0 之间，一 般选择r e = 5 。达西定律的下限为终止于粘性土中微小流速的渗流，它是由土颗粒周 围结合水薄膜的流变学特性所决定的。超出达西定律范围的流动称为非达西流或非 线性阻力流动。按摩阻系数与雷诺数r e 的试验关系，r e 2 0 0 紊流占主控作用，r e 2 0 0 0 进入与r e 无关的完全 紊流区。关于过渡到紊流的，矿表达式，可写成： j = a v + b v 2 ( 2 5 ) 其中a 和b 两常数决定于砂砾土的孔隙率、颗粒形状大小等因素。过渡区到紊 流的卜v 表达式还有指数形式： 矿= j u ”( 2 - - 6 ) 劬一绌劬一砂砌一瑟 ，茁 n l 一 一 一 i i i i i i j ， z 矿 矿 矿 汤建忠：邵仙套闸闸基渗流分析研究 式中指数，2 决定于土的密实程度与有效粒径。关于达西定律下限的流动，由于 起始坡降上的存在，表达式近似可写为： 矿： 0 u ，j o ! ( 卜7 ) 【k ( j j o ) ；( ，j o ) 2 2 2 裘布衣近似假定 裘布衣研究地下水缓变流动时，由于渗流自由面的坡度很小，认为可以假定沿 深度方向的铅直线是等水头线，以简化问题。 例如：如图2 1 所示，设s 点的流速应为， v 。：一女孥= - k 拿：一ts i n 口( 搠) 5 凼凼 由于口角很小，杜氏建议用t g o ：塑代替s i n 0 ，也就是相当于假定等势线是铅 直线，即流速是水平向的，而且具有静压分布。 图2 1 裘布衣假定的说明 则平均流速与单宽渗流量为 v ：一k 婴，h ； o ) d x g ：一砌o ) 婴 烈 使原来多个独立变量q ，z ) 减为一个，对( 2 9 ) 进行积分可得 g = ( 2 _ 9 ) ( 2 - 一1 0 ) 扬州人学1 程硕十学位论文 或 。一k ( h 。2 一向；) g 。矿 ( 2 一1 2 ) 田以上一瓦口j 得仕蒽距隅j 处的水深或水囱为 一一l 牝p 1 2 - h 拟甜 ( 2 - 1 3 ) 从而可近似画出渗流自由面。若不透水底面不是水平而为倾斜时，以日表示倾 斜底上的水深，坡底为，：一拿，得 a s ，：一譬：f 一掣及g ：矿：k h ( i 一掣) ( 2 - - 1 4 ) d s 如凼 _ d h o 时水面为回水或壅高曲线，譬 8 0 钻孔灌注桩， 其中上游隔水墙灌注桩为水上作业。另还有上、下闸首及上游第一节翼墙c p 2 2 灌注 排桩，灌注桩混凝土总量达三千多方，是质量和工期要求均较高的关键项目之一。 施工前，监理单位编写了详细的作业指导书。工程处、监理部专门组织施工单位有 关人员办了一期技术培训班，对于施工中需注意的技术要点、难点，均进行了较详 尽的指导、示范。从定桩位、埋护筒、造浆、钻孔、下钢筋笼、灌注混凝土等每道 工序都提出了具体操作要求和技术指标。在施工中，监理做到每根桩成孔后都要亲 自检查孔深、沉渣、垂直度等指标，符合要求才可进入下一工序。浇筑过程中，监 扬州人学i j 掣硕十学位论文 理峰持旁站，直到浇筑结束。经检测，本工程灌注桩全部合格，无一断桩现象。 ( 4 ) 闸门及启闭机 套闸上、下闸首两道平板升卧门及启闭机的制作、安装由省水机总厂负责。由 于受现场条件限制，闸门在工厂内制作，厂内以纵向1 3 左右部位分片整体拼装焊 接，整体矫正按规范和图纸要求进行检查，经监理和工程处验收认可后，编号、拆 分、运至现场，喷砂、喷锌、刷漆、拼装和安装。 套闸先期安装的启闭机为节制闸用轻型启闭机，使用寿命仅2 于小时，启闭速 度很慢，每启闭1 次约需1 小时左右，如每天按运行2 0 次计，不到1 年就超过了使 用寿命，为了安全运行，必须更换启闭机。为此，工程处邀请专家到现场检查、分 析、研究启闭机改造方案。从经济、使用、安装等多方面考虑，经过反复论证，最 终选用了省水机总厂的弧门启闭机方案。该方案启闭速度大幅度提高，每启闭1 次 不到l o 分针，使用寿命提高到1 2 0 0 0 小时以上，报经省厅批准后实施。该启闭机已 投入运行，从运行情况看，性能良好，达到了预期效果。 ( 5 ) 混凝土及钢筋混凝土工程 套闸工程绝大部分为薄壁形结构，一次浇筑混凝土方量最多只有5 7 0 m 3 ，且作业 面狭窄，输送距离最长的达4 0 0 m 。为了防止泵送混凝土堵管，一方面选择适宜的混 凝土配合比，在搅拌时增加泵送剂；另一方面增加1 台备用泵，以防万一。在浇筑过 程中，监理工程师现场旁站。从检查、检测情况看，混凝土全部达到设计强度要求， 表观质量良好，无明显缺陷。 3 5 质量评定、验收及工程运行效益 3 5 1 质量评定、验收 在工程施工过程中，严格执行水利水电建设工程验收规程，及时进行单元工程检 测评定，组织分部工程和隐蔽工程验收签证。 ( 1 ) 分部工程质量评定情况 每个分部工程完成后，施工单位先进行分部工程质量等级自评，在此基础上，监 理部依据单元、分部工程抽检评定资料，对该分部进行质量等级评定。工程完工后， 质监项目站依据质检站、监理部对每个分部工程的检测和评定结果，组织质检、监理、 设计、施工和工程处等单位的有关人员一起对工程总体进行质量评定，并将评定结果 上报省厅质监中一t 3 站核定。邵仙套闸工程质量核定为“优良”等级。 ( 2 ) 阶段验收情况 汤建忠：邵仙套闸闸基渗流分析研究 1 9 9 9 年7 月1 0 日通过了由省厅主持， 处、工程处、设计院、监理部、施工单位、 下工程验收。 厅机关有关处室、厅产业中心、江都管理 质监中心站、质检站等单位参加的套闸水 1 9 9 9 年1 1 月2 8 日通过了由省厅主持，厅机关有关处室、厅产业中心、咨询中 心、江都管理处、工程处、设计院、监理部、施工单位、质监中心站、质检站、扬 州市水利局、扬州市航道处、江都航道局、江都港监所、江都公安水警大队等单位 参加的套闸竣工初步验收。验收委员会在认真听取了工程参建各方的报告、查看了 现场、审查了档案资料后，一致同意套闸通过竣工初步验收，认为工程质量达到优 良等级。并同意投入试运行。 2 0 0 2 年7 月1 8 日邵仙套闸加固改造工程及后续配套、改造工程全面竣工验收， 并正式移交管理单位。 3 5 2 工程运行效益 邵仙套闸工程自1 9 9 9 年1 1 月2 8 日通过竣工初步验收投入试运行以来，年过闸 通航能力在2 0 0 0 万吨以上，经济效益为8 0 0 万年。套闸主体运行良好，既方便了 船民，消除了原邵仙闸通航的安全隐患：又扩大了邵仙闸向北送水能力，社会效益 亦十分显著，达到了原设计要求。 3 6 主要技术标准及参数 工程规模：5 万吨级日。 主要结构形式与尺寸： ( 1 ) 上下闸首：净宽1 6 m ，顺水流向长1 5 m ，：门槛高程v 2 o m 。 ( 2 ) 闸室：钢筋砼“u ”型结构：平面尺寸1 6 x1 6 0 m 闸底高程v 2 o m ：闸室 项高程v 9 5 m 闸室东侧布置4 5 c m 厚的挡土防渗钢筋砼地连墙。