水工建筑物课件 第九章 水闸3-5节

第三节闸基的渗流分析与防渗设施一、闸基渗流的运动规律及其分析方法

1.运动规律

在上下游水位差的作用下，在闸基及岸坡内均产生渗流。其中闸基为有压渗流，岸坡绕渗为无压渗流。渗流三要素:渗透压力渗透坡降渗流流量

2.分析方法

a.假定条件:

地基均匀、各向同性;

水流运动稳定连续、不可压缩、符合Darcy定律;

水流运动符合拉普拉斯方程。B.分析方法①直线比例法；⊿②直线展开法和加权直线法；⊿③流网法；④改进阻力系数法；☆⑤数值计算法—如有限单元法⑥电模拟试验法规范推荐:

1°改进阻力系数法和流网法作为求解土基上闸基渗透压力的基本方法。

2°复杂土基上重要水闸，应采用数值计算法。二、渗流对水闸的影响及防渗设计内容

影响:⒈闸基渗流对建筑物产生向上的力，减轻建筑物有效重量，降低闸身抗滑稳定性，沿两岸的渗流对翼墙产生侧向水平推力；⒉由于渗透力的作用，可能造成土的渗透变形；⒊严重的渗漏将造成大量的水量损失；⒋渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。防渗设计内容目的:确定控制渗流的措施;

减少渗流的不利影响;

保证水闸的安全运行;内容：确定闸基渗透压力；抗渗稳定性验算；排水及反滤层设计；永久缝止水设计;

三、防渗设计---地下轮廓线1.定义相对不透水结构与透水地基的接触线-地下轮廊线即第一根流线。其长度称为防渗长度

2.闸基的防渗长度L

地下轮廓线（闸基渗流第一根流线，即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线）的长度。应满足：其中：C为渗径系数，与土壤性质有关，L为水平段垂直段之和。

(莱茵分析了200多个闸坝工程，认为水平渗径的防渗效果仅为垂直防渗的1/3)。地下轮廓线特点：起点是入土点，终点是出土点，中间是连续线▲

C值粉砂细砂中砂粗砂中砾细砂粗砾夹卵石轻粉质砂壤土砂壤土壤土粘土有反滤时13~99~77~55~44~33~2.511~79~55~33~2无反滤时————————————————7~44~33.不同地基的防渗布置布置原则：防渗和导渗相结合①粘性土地基特性:土粒之间有粘着力，不易发生渗透变形，但摩擦系数小，对稳定不利。

→降低渗透压力，增加闸身有效重量。布置---用铺盖+排水、反滤层→用钢筋砼或粘土铺盖或土工膜作防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设反滤层，下游排水可延伸到闸底板下，以减少闸底板上的渗透压力。不用板桩以防破坏粘土的结构。②砂性土地基：特性:与粘土相反，摩擦系数相对较大，稳定较易满足。但易发生渗透变形，关键是增加渗径，以减少渗透坡降和渗透流速。布置:砂层较浅

a.闸室底板上游端设置截水槽（嵌入相对不透水层深度不应小于1.0m）;b.采用板桩，打至相对不透水;c.闸室下游渗流出口处设置反滤层，排水布置在护坦之下。砂层很厚闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的形式，闸室下游渗流出口处应设置反滤层，排水布置在护坦之下。③粉细砂地基（或粉土、轻砂壤土、轻粉质砂壤土）

特点是震动液化问题。

a.宜采用封闭式板桩（闸室底板下四周用板桩围封)b.板桩长度应超过粉砂地基液化深度。

c.闸室上游宜采用铺盖④特殊地基弱透水地基下有透水层，地基为不同性质冲积层，KH>>KV。→闸室下游设置铅直排水，并防止淤堵。⑤双向水头作用→合理地进行双向布置形式，并以水位差较大的一向为主。(一)铺盖

（水平防渗设施）

渗透系数比地基的小100倍以上；铺盖长度采用上、下游最大水头差的3~5倍；并非越长越好。4.防渗排水设施

1.粘土及粘壤土铺盖（K<10-5cm/s）

铺盖厚度δ=△H/[J]，上游端不小于0.6m，末端不小于1~1.5m；为防止冲刷，表面应设护面结构。2.混凝土、钢筋混凝土铺盖（K<10-7cm/s）,可用C15、C20混凝土，厚度一般为0.40.6m，每1020m设沉降缝。(2)板桩及其它垂直防渗设施

规范规定：地下垂直防渗土工膜厚度不宜小于0.25mm，重要工程可采用复合土工膜，其厚度不宜小于0.5mm。闸室底板的上、下游端均宜设置齿墙，齿墙深度可采用0.5~1.5m。

板桩长度0.8~1.0倍上下游最大水头差；钢筋砼板桩最小厚度不宜小于0.2m，宽度不宜小于0.4m；水泥砂浆帷幕或高压喷射灌浆帷幕的最小厚度不宜小于0.1m；砼防渗墙的最小厚度不宜小于0.2m；(3)排水四、闸基渗流计算--改进阻力系数法

渗流分析的目的：渗透压力、渗透坡降

闸基渗流计算方法包括：解析法、数值计算法、流网法、试验法和近似计算法。改进阻力系数法是以流体力学解为基础的一种近似方法。改进阻力系数法

把闸基的渗流区域按可能的等水头线划分为几个典型流段，根据渗流连续性原理，流经各流段的渗流量相等，各段水头损失与其阻力系数成正比，各段水头损失之和等于上下游水头差。1.基本原理右图所示为一矩形渗流区域。取渗流段长度为L，透水层厚度为T，两断面测压管水头差为h。根据达西定律，单宽渗流量q为：

可见：h与被称为阻力系数的ξ成正比，而ξ仅与渗流区的几何形状有关，是渗流边界的函数。

水闸的闸基渗流区域比较复杂，可以将其按可能的等水头线划分为几个典型流段，各典型流段有各自的阻力系数ξi，各段的水头损失为：

根据渗流连续性原理，各流段的单宽渗流量相等，因此：

闸基渗流的总水头损失应为各段水头损失的之和，即：·2、计算步骤①确定地基有效深度Ts

当 当若Ts<地基的透水深度T，则按Ts计算；若Ts>地基的透水深度T，则取Ts=T计算。②分段并计算各段的阻力系数将一个比较复杂的水闸地下轮廓划分为几个典型流段（进口段、出口段、中间水平段、内部垂直段(板桩)），按基本公式计算各段的阻力系数，运用公式时要正确计算T、S、S1、S2等参数。③计算各段水头损失，初绘渗压图；④进行进、出口段水头损失修正

TS′T′改正教材P.450相关内容⑤齿墙不规则部位修正（当齿墙宽度<a时，需对齿墙再做修正）⑥闸基抗渗稳定性验算

要求:水平段及出口段的渗透坡降必须小于规范规定的允许坡降。水平段的平均渗透坡降根据各水平段的长度和水头损失计算。出口段的平均出逸坡降水平段的允许渗透坡降及出口段防止流土破坏的允许渗透坡降见P448表10-3。验算砂砾石闸基出口段抗渗稳定性时，应首先判别可能发生的渗流破坏型式，为管涌破坏时，其允许坡降为：改进阻力系数法作业√已知：H1=6.0m，H2=2.0m，T地基=20m，试用改进阻力系数法求：

(1)闸底板下的渗透压力；

(2)闸底板水平段的平均渗透坡降和出口处的平均逸出坡降。

第四节闸室的布置和构造

一、底板按底板与闸墩的连接方式分：整体式、分离式⒈整体式：闸墩和底板浇筑成整体底板是传力结构，将荷载较均匀地传给地基。闸室整体性较好，适用于松软地基。2.分离式：底板与闸墩用沉陷缝分开。闸墩传力，底板仅防渗抗冲，一般适用于岩基或压缩性小的土基。

(顺水流方向)长度L：受上部结构布置所控制、考虑地基受力情况等。经验值:(1.52.5)H1

厚度：(1/51/7)闸孔净宽二、闸墩作用：分隔闸孔、承载顶部高程：挡水时，不低于正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；泄洪时，不低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。

闸门下游部分可适当降低。长度：与底板同长或稍短。厚度：门槽处最小厚度不宜小于50cm；

工作门槽深0.3~0.5m，宽0.5~1.0m

检修门槽深0.15~0.2m，宽0.2~0.3m三、胸墙

顶部高程：与墩顶相同

底部高程：有泄流所需的孔口高度决定

胸墙位置：采用弧形闸门时，设在闸门上游;采用平面闸门时，闸门上下游均可。

作用：减小闸门高度和启门力、增加闸室刚度

常用结构形式：板式板梁式

支承方式：简支式固支式四、闸门常见形式：平面闸门、弧形闸门。一般应高出可能的最高蓄水位0.5m左右。五、工作桥和交通桥

工作桥：

(大中型水闸)

面板厚度810cm，纵梁翼板端部厚810cm，根部加厚至2025cm；纵梁高约为跨度的1/81/10，肋宽约为梁高的1/3，但不小于2530cm。

横梁截面一般为25×50cm30×60cm。六、缝和止水作用：

防止闸室因地基不均匀沉降及温度变化而产生裂缝。

伸缩缝：缝距15~20m，缝宽1~4mm

沉降缝：缝距15~25m，缝宽2~2.5cm不同结构之间都需要设沉降缝。

凡具有防渗要求的缝都要设置止水设备。按止水位置不同，可分为铅直止水和水平止水。第五节

闸室和闸基的稳定分析一、闸室抗滑稳定计算1、滑动类型判别

平面滑动

>深层滑动

<A为系数,在3-4之间;B为底板长度;rb为土壤浮重度。2.平面滑动稳定分析(1)计算简图及荷载

采用粘土铺盖时，底板与铺盖连接处的水压力可近似按梯形分布计算，a点处按静水压强计算，b点取该点的扬压力强度值，a、b之间按直线变化计算。

采用钢筋混凝土铺盖时，止水片以上的水平水压力按静水压力分布计算，以下按梯形分布计算，a点处的水平水压力强度等于该点的浮压强加b点的渗透压强，b点取该点的扬压力强度值，a、b之间按直线变化计算。(2)计算工况(荷载组合)

a.计算对象

一般以两条横缝之间的闸体为一个计算单元，其中包括一个或几个闸孔，含闸底板、闸墩、闸门、胸墙乃至闸顶桥梁等，并常假定底板为刚性的。

b.计算工况⑴基本组合完建正常蓄水位情况设计洪水情况冰冻情况⑵特殊组合施工情况 检修情况(侧向水压力)

校核洪水位情况 正常蓄水位+地震情况(3)闸室沿闸基底面的抗滑稳定验算a.计算公式地基类别f砂砾石0.40~0.50碎石土0.40~0.50软质岩石极软0.40~0.45软0.45~0.55较软0.55~0.60硬质岩石较坚硬0.60~0.65坚硬0.65~0.70

土质地基φ0、c0值土质地基类别φ0c0粘性土0.9φ(0.2~0.3)c砂性土(0.85~0.9)φ0注：表中φ为室内饱和固结快剪（粘性土）和饱和快剪（砂性土）试验测得的内摩擦角，

c为室内饱和固结快剪试验测得的粘结力（kPa）。

岩石地基f′、c′值岩石地基类别f′c′（MPa）硬质岩石坚硬1.5~1.31.5~1.3较坚硬1.3~1.11.3~1.1软质岩石较软1.1~0.91.1~0.7软0.9~0.70.7~0.3极软0.7~0.40.3~0.05(4)Kc的允许值计算出来的Kc应该大于或等于规范规定的允许值。

土基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值荷载组合水闸级别1234、5基本组合1.351.301.251.20特殊组合Ⅰ1.201.151.101.05Ⅱ1.101.051.051.00岩基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值

荷载组合按公式（7.3.6-1）计算按公式（7.3.8）计算水闸级别12、34、5基本组合1.101.081.053.00特殊组合Ⅰ1.051.031.002.50Ⅱ1.002.30(5)提高闸室抗滑稳定性的工程措施①增加闸室底板的齿墙深度；②将闸门的位置向低水头一侧移动，或将水闸底板向高水位一侧加长；③适当增加闸室结构的尺寸；④增加防渗体的长度（铺盖、板桩），或在不影响防渗安全的前提下，将排水设施向闸室底板靠近，以减小渗透压力。⑤设置阻滑板，其阻滑力S作为强度储备。如有钢筋混凝土铺盖，可将铺盖与底板以钢筋铰接起来，使铺盖兼起阻滑板的作用。注意:1°阻滑板提供的阻滑力只能作为安全储备;2°不计阻滑板作用时，算出安全系数值不应小于1.0。(目前这种方法己较少采用)3、闸室连同闸基的深层抗滑稳定验算目前实践经验较丰富的方法是假定滑动面为圆弧面的滑弧法。二、基底压力（闸基承载能力）验算

由于底板连同闸墩在顺水流方向的刚度很大，故顺水流方向底板下的压力可近似认为呈直线分布。对于结构布置和受力对称的闸段，底板下闸基面压应力的边缘最大值用偏心受压公式计算：式中:∑Mx-所有荷载对垂直水流方向的形心轴x的力矩之和;B-计算闸段垂直于水流方向的宽度;L-为底板顺水流方向的长度。对于结构布置和受力不对称的闸段（例如多孔闸的边闸段或不对称的单孔闸），底板下闸基面压应力的边缘最大值用双偏心受压公式计算：土基上闸室基底应力的最大值与最小值之比应满足规范的要求。基底压力平均值应不大于地基允许承载力:三、闸基沉降计算1.产生原因及不良后果地基的压缩变形过大，特别是沉陷差较大时，将引起闸室倾斜，闸门不能正常开启;或产生裂缝，或将止水拉坏，甚至使建筑物顶部高程不足。影响水闸正常运行。2.计算目的了解地基的变形量，以便①选择合理的水闸结构型式和尺寸;②确定适宜的施工程序和施工速度;③进行适当的地基处理。3.计算方法

一般采用单向压缩的分层总和法，计算点选在底板中央或四角点。e1i-第i计算层土在天然土壤的孔隙比；e2i-第i计算层土在压缩后的孔隙比；n-分层数目；hi-闸基底面以下第i分层土层厚度；每层厚度不宜超过2.0m;m-地基沉降量修正系数，可采用1.0~1.6

。4.减少不均匀沉陷的措施①尽量使相邻建筑物的重量不要悬殊太大;②重量大的建筑物先施工，使地基先行预压③尽量使地基反力分布趋于均匀，最大最小地基反力之比不超过规定值砂土小于等于3.0

粘土小于等于1.5～2.0s～t（沉降量随时间变化）的关系比较复杂，它与土层的厚度、压缩性、渗透性、排水条件、附加应力以及土层的相对位置和建筑物的施工速度等因素有关。计算中尚难周密考虑。为了解沉陷变形的变化规律，可在特定位置设置测点进行观测，对观测资料进行分析，建立沉陷变形的统计模型和预报方程。四、地基处理当天然地基不满足稳定、应力安全指标，或不满足沉陷控制要求时，则除了考虑改变闸室结构型式外，还要对地基进行处理。常采用:1.预压加固作用:在建闸之前的闸基范围内，堆土或石料进行预压，使地基达到相当于建闸后的稳定沉陷量。预压荷重:1.5～2.0倍的闸重，但不能超过地基土的强度。预压速度:不能过快，以防发生深层滑动，需分