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边墩绕渗

2020-04-09 21:00

从闸(坝)上游,通过与闸(坝)连接的土坝或堤岸,绕两岸连接建筑物(翼墙、边墩或岸墙、刺墙等)向下游方向的渗流。边墩绕渗可能冲蚀翼墙和边墩后的填土,对两岸连接建筑物施加侧向渗透压力,并影响闸(坝)地基中的渗透压力分布,因此需要进行绕渗计算。

无压渗流连续方程和渗流水深计算

边墩绕渗的水流具有自由水面,是空间无压渗流,计算比较复杂,大型工程通常应用三向电拟实验求得解答。如果河岸土质均匀等向,闸坝边墩(包括翼墙和刺墙等)坐落于水平不透水层上,可以近似认为沿任一铅直线上各点的渗流速度相同,从而将空间无压渗流简化成平面(水平面上)问题加以解决。

边墩绕流渗透示意图

1—流线; 2—等势线(0、1′~9′、10′);3—翼墙和边墩背面水面线

在这种情况下,可求得无压渗流的连续方程为

式中,h为水平不透水层以上的渗流水深(渗流水头);K为渗透系数。

由式(1)可见,下部具有水平不透水层的无压渗流,其运动规律和地基有压渗流一样,不同之处是无压渗流以水头函数的平方适合拉普拉斯方程式,而平面有压渗流以水头函数的一次方适合拉普拉斯方程式。因此,如果把两岸连接建筑物与土体接触的轮廓线当作有压渗流的地下轮廓线,则用于求解平面有压渗流的计算方法(如解析法、分段法或流网法)都可用来解决边墩绕渗问题。

在有压渗流中,地下轮廓线上某一点的水头(H)可用下式计算:

式中,H1、H2分别为上、下游水头;hr为有压渗流的化引水头,是取决于渗透区域边界轮廓的系数。

若用h2代替H,则得无压渗流水深计算为

式中,h1、h2分别为不透水层面以上的上、下游水深。

当闸(坝)上、下游水位确定后,h1、h2为已知,只要按有压渗流求出计算点的化引水头(hr),即可利用式(3)计算无压渗流在相应点的水深(h)。

边墩绕渗的计算步骤

以图中所示水闸为例,进行边墩绕渗计算的步骤如下:

(1)把闸(坝)顺水流方向的翼墙和边墩设想为铺盖和底板,垂直水流方向的反翼墙及刺墙设想为板桩和齿墙,图中上游翼墙、边墩与两岸的接触线作为地下轮廓线(第一条流线),上游水面与堤岸的交线以及下游水面与翼墙(墙身设有排水孔)的交线分别作为第一条等势线和最后一条等势线。

(2)按闸基有压渗流的计算方法,求轮廓线上各计算点的化引水头(hr)。①用流网法求hr:先按有压渗流绘制流网的方法绘出流网,根据流网得出计算点在有压渗流情况下的渗压水头(hf),则该计算点的化引水头hr=hf/ΔH(ΔH为上下游水位差)。例如,图中A处的化引水头

。②用阻力系数法求化引水头:

,式中(∑ζ)0-i为渗流出口处至计算点间各流段阻力系数之和,∑ζ为渗流进、出口间各流段阻力系数的总和。在计算阻力系数时,不透水层埋藏深度的计算值可假定为:T=0.5L0(L0为边墩、翼墙背面不透水部分在顺水流方向的投影长度)。

(3)将轮廓线上各计算点处已求出的hr值代入式(3),就可计算得各相应点在无压渗流条件下的水深,绘出翼墙、边墩背面的地下水面线。根据地下水面线可进一步求出作用于边墩和翼墙上的侧向地下水压力,估算绕流的渗透比降和检验墙后填土(包括出口处)的抗渗稳定性。

以上计算方法适用于翼墙、边墩后面土层渗透系数大于地基土渗透系数的情况。如不符合这一情况,侧向渗透水压力可采用对应部位闸基扬压力计算值。

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