水工建筑物課件 第九章 水閘3-5節(jié)

第三節(jié)閘基的滲流分析與防滲設(shè)施一、閘基滲流的運(yùn)動規(guī)律及其分析方法

1.運(yùn)動規(guī)律

在上下游水位差的作用下，在閘基及岸坡內(nèi)均產(chǎn)生滲流。其中閘基為有壓滲流，岸坡繞滲為無壓滲流。滲流三要素:滲透壓力滲透坡降滲流流量

2.分析方法

a.假定條件:

地基均勻、各向同性;

水流運(yùn)動穩(wěn)定連續(xù)、不可壓縮、符合Darcy定律;

水流運(yùn)動符合拉普拉斯方程。B.分析方法①直線比例法；⊿②直線展開法和加權(quán)直線法；⊿③流網(wǎng)法；④改進(jìn)阻力系數(shù)法；☆⑤數(shù)值計算法—如有限單元法⑥電模擬試驗(yàn)法規(guī)范推薦:

1°改進(jìn)阻力系數(shù)法和流網(wǎng)法作為求解土基上閘基滲透壓力的基本方法。

2°復(fù)雜土基上重要水閘，應(yīng)采用數(shù)值計算法。二、滲流對水閘的影響及防滲設(shè)計內(nèi)容

影響:⒈閘基滲流對建筑物產(chǎn)生向上的力，減輕建筑物有效重量，降低閘身抗滑穩(wěn)定性，沿兩岸的滲流對翼墻產(chǎn)生側(cè)向水平推力；⒉由于滲透力的作用，可能造成土的滲透變形；⒊嚴(yán)重的滲漏將造成大量的水量損失；⒋滲流可能使地基內(nèi)可溶解的物質(zhì)加速溶解。防滲設(shè)計內(nèi)容目的:確定控制滲流的措施;

減少滲流的不利影響;

保證水閘的安全運(yùn)行;內(nèi)容：確定閘基滲透壓力；抗?jié)B穩(wěn)定性驗(yàn)算；排水及反濾層設(shè)計；永久縫止水設(shè)計;

三、防滲設(shè)計---地下輪廓線1.定義相對不透水結(jié)構(gòu)與透水地基的接觸線-地下輪廊線即第一根流線。其長度稱為防滲長度

2.閘基的防滲長度L

地下輪廓線（閘基滲流第一根流線，即鋪蓋和垂直防滲體等防滲結(jié)構(gòu)以及閘室底板與地基的接觸線）的長度。應(yīng)滿足：其中：C為滲徑系數(shù)，與土壤性質(zhì)有關(guān)，L為水平段垂直段之和。

(萊茵分析了200多個閘壩工程，認(rèn)為水平滲徑的防滲效果僅為垂直防滲的1/3)。地下輪廓線特點(diǎn)：起點(diǎn)是入土點(diǎn)，終點(diǎn)是出土點(diǎn)，中間是連續(xù)線▲

C值粉砂細(xì)砂中砂粗砂中礫細(xì)砂粗礫夾卵石輕粉質(zhì)砂壤土砂壤土壤土粘土有反濾時13~99~77~55~44~33~2.511~79~55~33~2無反濾時————————————————7~44~33.不同地基的防滲布置布置原則：防滲和導(dǎo)滲相結(jié)合①粘性土地基特性:土粒之間有粘著力，不易發(fā)生滲透變形，但摩擦系數(shù)小，對穩(wěn)定不利。

→降低滲透壓力，增加閘身有效重量。布置---用鋪蓋+排水、反濾層→用鋼筋砼或粘土鋪蓋或土工膜作防滲鋪蓋，閘室下游護(hù)坦底部應(yīng)設(shè)反濾層，下游排水可延伸到閘底板下，以減少閘底板上的滲透壓力。不用板樁以防破壞粘土的結(jié)構(gòu)。②砂性土地基：特性:與粘土相反，摩擦系數(shù)相對較大，穩(wěn)定較易滿足。但易發(fā)生滲透變形，關(guān)鍵是增加滲徑，以減少滲透坡降和滲透流速。布置:砂層較淺

a.閘室底板上游端設(shè)置截水槽（嵌入相對不透水層深度不應(yīng)小于1.0m）;b.采用板樁，打至相對不透水;c.閘室下游滲流出口處設(shè)置反濾層，排水布置在護(hù)坦之下。砂層很厚閘室上游可采用鋪蓋和懸掛式防滲墻相結(jié)合的形式，閘室下游滲流出口處應(yīng)設(shè)置反濾層，排水布置在護(hù)坦之下。③粉細(xì)砂地基（或粉土、輕砂壤土、輕粉質(zhì)砂壤土）

特點(diǎn)是震動液化問題。

a.宜采用封閉式板樁（閘室底板下四周用板樁圍封)b.板樁長度應(yīng)超過粉砂地基液化深度。

c.閘室上游宜采用鋪蓋④特殊地基弱透水地基下有透水層，地基為不同性質(zhì)沖積層，KH>>KV?！l室下游設(shè)置鉛直排水，并防止淤堵。⑤雙向水頭作用→合理地進(jìn)行雙向布置形式，并以水位差較大的一向?yàn)橹鳌?一)鋪蓋

（水平防滲設(shè)施）

滲透系數(shù)比地基的小100倍以上；鋪蓋長度采用上、下游最大水頭差的3~5倍；并非越長越好。4.防滲排水設(shè)施

1.粘土及粘壤土鋪蓋（K<10-5cm/s）

鋪蓋厚度δ=△H/[J]，上游端不小于0.6m，末端不小于1~1.5m；為防止沖刷，表面應(yīng)設(shè)護(hù)面結(jié)構(gòu)。2.混凝土、鋼筋混凝土鋪蓋（K<10-7cm/s）,可用C15、C20混凝土，厚度一般為0.40.6m，每1020m設(shè)沉降縫。(2)板樁及其它垂直防滲設(shè)施

規(guī)范規(guī)定：地下垂直防滲土工膜厚度不宜小于0.25mm，重要工程可采用復(fù)合土工膜，其厚度不宜小于0.5mm。閘室底板的上、下游端均宜設(shè)置齒墻，齒墻深度可采用0.5~1.5m。

板樁長度0.8~1.0倍上下游最大水頭差；鋼筋砼板樁最小厚度不宜小于0.2m，寬度不宜小于0.4m；水泥砂漿帷幕或高壓噴射灌漿帷幕的最小厚度不宜小于0.1m；砼防滲墻的最小厚度不宜小于0.2m；(3)排水四、閘基滲流計算--改進(jìn)阻力系數(shù)法

滲流分析的目的：滲透壓力、滲透坡降

閘基滲流計算方法包括：解析法、數(shù)值計算法、流網(wǎng)法、試驗(yàn)法和近似計算法。改進(jìn)阻力系數(shù)法是以流體力學(xué)解為基礎(chǔ)的一種近似方法。改進(jìn)阻力系數(shù)法

把閘基的滲流區(qū)域按可能的等水頭線劃分為幾個典型流段，根據(jù)滲流連續(xù)性原理，流經(jīng)各流段的滲流量相等，各段水頭損失與其阻力系數(shù)成正比，各段水頭損失之和等于上下游水頭差。1.基本原理右圖所示為一矩形滲流區(qū)域。取滲流段長度為L，透水層厚度為T，兩斷面測壓管水頭差為h。根據(jù)達(dá)西定律，單寬滲流量q為：

可見：h與被稱為阻力系數(shù)的ξ成正比，而ξ僅與滲流區(qū)的幾何形狀有關(guān)，是滲流邊界的函數(shù)。

水閘的閘基滲流區(qū)域比較復(fù)雜，可以將其按可能的等水頭線劃分為幾個典型流段，各典型流段有各自的阻力系數(shù)ξi，各段的水頭損失為：

根據(jù)滲流連續(xù)性原理，各流段的單寬滲流量相等，因此：

閘基滲流的總水頭損失應(yīng)為各段水頭損失的之和，即：·2、計算步驟①確定地基有效深度Ts

當(dāng) 當(dāng)若Ts<地基的透水深度T，則按Ts計算；若Ts>地基的透水深度T，則取Ts=T計算。②分段并計算各段的阻力系數(shù)將一個比較復(fù)雜的水閘地下輪廓劃分為幾個典型流段（進(jìn)口段、出口段、中間水平段、內(nèi)部垂直段(板樁)），按基本公式計算各段的阻力系數(shù)，運(yùn)用公式時要正確計算T、S、S1、S2等參數(shù)。③計算各段水頭損失，初繪滲壓圖；④進(jìn)行進(jìn)、出口段水頭損失修正

TS′T′改正教材P.450相關(guān)內(nèi)容⑤齒墻不規(guī)則部位修正（當(dāng)齒墻寬度<a時，需對齒墻再做修正）⑥閘基抗?jié)B穩(wěn)定性驗(yàn)算

要求:水平段及出口段的滲透坡降必須小于規(guī)范規(guī)定的允許坡降。水平段的平均滲透坡降根據(jù)各水平段的長度和水頭損失計算。出口段的平均出逸坡降水平段的允許滲透坡降及出口段防止流土破壞的允許滲透坡降見P448表10-3。驗(yàn)算砂礫石閘基出口段抗?jié)B穩(wěn)定性時，應(yīng)首先判別可能發(fā)生的滲流破壞型式，為管涌破壞時，其允許坡降為：改進(jìn)阻力系數(shù)法作業(yè)√已知：H1=6.0m，H2=2.0m，T地基=20m，試用改進(jìn)阻力系數(shù)法求：

(1)閘底板下的滲透壓力；

(2)閘底板水平段的平均滲透坡降和出口處的平均逸出坡降。

第四節(jié)閘室的布置和構(gòu)造

一、底板按底板與閘墩的連接方式分：整體式、分離式⒈整體式：閘墩和底板澆筑成整體底板是傳力結(jié)構(gòu)，將荷載較均勻地傳給地基。閘室整體性較好，適用于松軟地基。2.分離式：底板與閘墩用沉陷縫分開。閘墩傳力，底板僅防滲抗沖，一般適用于巖基或壓縮性小的土基。

(順?biāo)鞣较?長度L：受上部結(jié)構(gòu)布置所控制、考慮地基受力情況等。經(jīng)驗(yàn)值:(1.52.5)H1

厚度：(1/51/7)閘孔凈寬二、閘墩作用：分隔閘孔、承載頂部高程：擋水時，不低于正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計算高度與相應(yīng)安全超高值之和；泄洪時，不低于設(shè)計洪水位（或校核洪水位）與相應(yīng)安全超高值之和。

閘門下游部分可適當(dāng)降低。長度：與底板同長或稍短。厚度：門槽處最小厚度不宜小于50cm；

工作門槽深0.3~0.5m，寬0.5~1.0m

檢修門槽深0.15~0.2m，寬0.2~0.3m三、胸墻

頂部高程：與墩頂相同

底部高程：有泄流所需的孔口高度決定

胸墻位置：采用弧形閘門時，設(shè)在閘門上游;采用平面閘門時，閘門上下游均可。

作用：減小閘門高度和啟門力、增加閘室剛度

常用結(jié)構(gòu)形式：板式板梁式

支承方式：簡支式固支式四、閘門常見形式：平面閘門、弧形閘門。一般應(yīng)高出可能的最高蓄水位0.5m左右。五、工作橋和交通橋

工作橋：

(大中型水閘)

面板厚度810cm，縱梁翼板端部厚810cm，根部加厚至2025cm；縱梁高約為跨度的1/81/10，肋寬約為梁高的1/3，但不小于2530cm。

橫梁截面一般為25×50cm30×60cm。六、縫和止水作用：

防止閘室因地基不均勻沉降及溫度變化而產(chǎn)生裂縫。

伸縮縫：縫距15~20m，縫寬1~4mm

沉降縫：縫距15~25m，縫寬2~2.5cm不同結(jié)構(gòu)之間都需要設(shè)沉降縫。

凡具有防滲要求的縫都要設(shè)置止水設(shè)備。按止水位置不同，可分為鉛直止水和水平止水。第五節(jié)

閘室和閘基的穩(wěn)定分析一、閘室抗滑穩(wěn)定計算1、滑動類型判別

平面滑動

>深層滑動

<A為系數(shù),在3-4之間;B為底板長度;rb為土壤浮重度。2.平面滑動穩(wěn)定分析(1)計算簡圖及荷載

采用粘土鋪蓋時，底板與鋪蓋連接處的水壓力可近似按梯形分布計算，a點(diǎn)處按靜水壓強(qiáng)計算，b點(diǎn)取該點(diǎn)的揚(yáng)壓力強(qiáng)度值，a、b之間按直線變化計算。

采用鋼筋混凝土鋪蓋時，止水片以上的水平水壓力按靜水壓力分布計算，以下按梯形分布計算，a點(diǎn)處的水平水壓力強(qiáng)度等于該點(diǎn)的浮壓強(qiáng)加b點(diǎn)的滲透壓強(qiáng)，b點(diǎn)取該點(diǎn)的揚(yáng)壓力強(qiáng)度值，a、b之間按直線變化計算。(2)計算工況(荷載組合)

a.計算對象

一般以兩條橫縫之間的閘體為一個計算單元，其中包括一個或幾個閘孔，含閘底板、閘墩、閘門、胸墻乃至閘頂橋梁等，并常假定底板為剛性的。

b.計算工況⑴基本組合完建正常蓄水位情況設(shè)計洪水情況冰凍情況⑵特殊組合施工情況 檢修情況(側(cè)向水壓力)

校核洪水位情況 正常蓄水位+地震情況(3)閘室沿閘基底面的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算a.計算公式地基類別f砂礫石0.40~0.50碎石土0.40~0.50軟質(zhì)巖石極軟0.40~0.45軟0.45~0.55較軟0.55~0.60硬質(zhì)巖石較堅硬0.60~0.65堅硬0.65~0.70

土質(zhì)地基φ0、c0值土質(zhì)地基類別φ0c0粘性土0.9φ(0.2~0.3)c砂性土(0.85~0.9)φ0注：表中φ為室內(nèi)飽和固結(jié)快剪（粘性土）和飽和快剪（砂性土）試驗(yàn)測得的內(nèi)摩擦角，

c為室內(nèi)飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)測得的粘結(jié)力（kPa）。

巖石地基f′、c′值巖石地基類別f′c′（MPa）硬質(zhì)巖石堅硬1.5~1.31.5~1.3較堅硬1.3~1.11.3~1.1軟質(zhì)巖石較軟1.1~0.91.1~0.7軟0.9~0.70.7~0.3極軟0.7~0.40.3~0.05(4)Kc的允許值計算出來的Kc應(yīng)該大于或等于規(guī)范規(guī)定的允許值。

土基上沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值荷載組合水閘級別1234、5基本組合1.351.301.251.20特殊組合Ⅰ1.201.151.101.05Ⅱ1.101.051.051.00巖基上沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值

荷載組合按公式（7.3.6-1）計算按公式（7.3.8）計算水閘級別12、34、5基本組合1.101.081.053.00特殊組合Ⅰ1.051.031.002.50Ⅱ1.002.30(5)提高閘室抗滑穩(wěn)定性的工程措施①增加閘室底板的齒墻深度；②將閘門的位置向低水頭一側(cè)移動，或?qū)⑺l底板向高水位一側(cè)加長；③適當(dāng)增加閘室結(jié)構(gòu)的尺寸；④增加防滲體的長度（鋪蓋、板樁），或在不影響防滲安全的前提下，將排水設(shè)施向閘室底板靠近，以減小滲透壓力。⑤設(shè)置阻滑板，其阻滑力S作為強(qiáng)度儲備。如有鋼筋混凝土鋪蓋，可將鋪蓋與底板以鋼筋鉸接起來，使鋪蓋兼起阻滑板的作用。注意:1°阻滑板提供的阻滑力只能作為安全儲備;2°不計阻滑板作用時，算出安全系數(shù)值不應(yīng)小于1.0。(目前這種方法己較少采用)3、閘室連同閘基的深層抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算目前實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較豐富的方法是假定滑動面為圓弧面的滑弧法。二、基底壓力（閘基承載能力）驗(yàn)算

由于底板連同閘墩在順?biāo)鞣较虻膭偠群艽?，故順?biāo)鞣较虻装逑碌膲毫山普J(rèn)為呈直線分布。對于結(jié)構(gòu)布置和受力對稱的閘段，底板下閘基面壓應(yīng)力的邊緣最大值用偏心受壓公式計算：式中:∑Mx-所有荷載對垂直水流方向的形心軸x的力矩之和;B-計算閘段垂直于水流方向的寬度;L-為底板順?biāo)鞣较虻拈L度。對于結(jié)構(gòu)布置和受力不對稱的閘段（例如多孔閘的邊閘段或不對稱的單孔閘），底板下閘基面壓應(yīng)力的邊緣最大值用雙偏心受壓公式計算：土基上閘室基底應(yīng)力的最大值與最小值之比應(yīng)滿足規(guī)范的要求?；讐毫ζ骄祽?yīng)不大于地基允許承載力:三、閘基沉降計算1.產(chǎn)生原因及不良后果地基的壓縮變形過大，特別是沉陷差較大時，將引起閘室傾斜，閘門不能正常開啟;或產(chǎn)生裂縫，或?qū)⒅顾瓑?，甚至使建筑物頂部高程不足。影響水閘正常運(yùn)行。2.計算目的了解地基的變形量，以便①選擇合理的水閘結(jié)構(gòu)型式和尺寸;②確定適宜的施工程序和施工速度;③進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡鼗幚怼?.計算方法

一般采用單向壓縮的分層總和法，計算點(diǎn)選在底板中央或四角點(diǎn)。e1i-第i計算層土在天然土壤的孔隙比；e2i-第i計算層土在壓縮后的孔隙比；n-分層數(shù)目；hi-閘基底面以下第i分層土層厚度；每層厚度不宜超過2.0m;m-地基沉降量修正系數(shù)，可采用1.0~1.6

。4.減少不均勻沉陷的措施①盡量使相鄰建筑物的重量不要懸殊太大;②重量大的建筑物先施工，使地基先行預(yù)壓③盡量使地基反力分布趨于均勻，最大最小地基反力之比不超過規(guī)定值砂土小于等于3.0

粘土小于等于1.5～2.0s～t（沉降量隨時間變化）的關(guān)系比較復(fù)雜，它與土層的厚度、壓縮性、滲透性、排水條件、附加應(yīng)力以及土層的相對位置和建筑物的施工速度等因素有關(guān)。計算中尚難周密考慮。為了解沉陷變形的變化規(guī)律，可在特定位置設(shè)置測點(diǎn)進(jìn)行觀測，對觀測資料進(jìn)行分析，建立沉陷變形的統(tǒng)計模型和預(yù)報方程。四、地基處理當(dāng)天然地基不滿足穩(wěn)定、應(yīng)力安全指標(biāo)，或不滿足沉陷控制要求時，則除了考慮改變閘室結(jié)構(gòu)型式外，還要對地基進(jìn)行處理。常采用:1.預(yù)壓加固作用:在建閘之前的閘基范圍內(nèi)，堆土或石料進(jìn)行預(yù)壓，使地基達(dá)到相當(dāng)于建閘后的穩(wěn)定沉陷量。預(yù)壓荷重:1.5～2.0倍的閘重，但不能超過地基土的強(qiáng)度。預(yù)壓速度:不能過快，以防發(fā)生深層滑動，需分