三河闸闸基渗流规律的探索

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

简介： 江苏省洪泽县三河闸是全国第二大闸，其水力要素的确定有一定的指导意义和应用价值。渗透是影响水工建筑物稳定的重要因素，因此在水工建筑物都设有测压管，以掌握其渗透的规律。
关键字：三河闸 闸基 渗流规律

　　江苏省洪泽县三河闸是全国第二大闸，其水力要素的确定有一定的指导意义和应用价值。渗透是影响水工建筑物稳定的重要因素，因此在水工建筑物都设有测压管，以掌握其渗透的规律。为了掌握三河闸闸基渗流（闸基扬压力分布）情况，三河闸设有测压管５组。然而从实测数据来看，实测值与理论值相差较大。这种异常现象的规律目前尚未找到，但我们认为很值得深思。以渗透理论来看，测压管水位最高不应高于上游水位，最低不能低于下游水位，从上到下应递减且呈直线分布，在水闸稳定设计时依据的也是这一理论，这样，建筑物实际扬压力不合理论的异常现象是否有失稳的威胁。

　　一、三河闸测压管异常现象

　　１．闸门开启后，而且开高较大，上、下游水位接近或相平时，测压管水位高于上游水位，最高达１ｍ之多。

　　２．当闸门关闭，上、下游水位差增大时，管内实测水位一般均小于计算水位。

　　３．冬季测压管水位低于下游水位（该闸下游水位通常是不变的）。

　　二、三河闸测压管异常现象分析

　　１．三河闸地基土质、闸身及测压管结构对测压管实测值的影响分析

　　（１）三河闸地基土质各处大致相同，部分含有砂礓之黏性黄岗土，透水性较差，标准贯入击数２０～２５击以上，承载能力尚好，每平方米可承受４０ｔ的荷载。天然含水量２４．５％，流限４３．６％。天然容量２．０ｇ／ｃｍ３，塑限２４．２％，天然孔隙比０．７１，塑性指数１９．４，凝聚力０．８２ｋｇ／ｃｍ２，内摩擦角２３°。我们认为，在黏性土地基上埋设的测压管本身就存在着弊端，它不可能如实反映地基的压力。从对１９５７年、１９８１年两次进行的变水头注水试验来看，１９８１年的退水曲线较为平缓，１９５７年测压管从注水到稳定一般为３天，而１９８１年从注水到稳定需要９天时间，地基趋于高度密实，这里没排除滤层淤积不灵敏所致因素。１９８１年还进行了测压管常水头的注水试验。各管注水量不同，相应计算出的渗透系数也有所不同，相差大的与土工试验的数据相差也很大。相差的原因初步分析认为是由于测压管淤塞，个别管管身锈蚀漏水所致。

　　（２）从观测资料反映这样一个问题，每组测压管开闸前水位基本按照直线变化。但当一开闸各组测压管水位变化就不再是直线变化。初步分析，是由于底板荷载增大而使地基孔隙水压上升所致。我们认为这是合理的。经竣工后较长时间的运行，闸下地基基本密实，沉陷量主要决定于气温和荷载。当月份接近，气温大致相同时，沉陷与荷载应有线性关系，由于闸底板上游端与钢筋混凝土护坦相连，遭受某种约束，下端则自由；挡水钢闸门偏于上游且为弧形，当上游水位大致相同而闸下流量增加或减少时，垂直荷载的增加（或减少）和水平荷载的减少（或增加），形成附加的总的顺（或逆）时针转向的力矩。例如：当上游水位为１２．５０ｍ，流量增加使闸后底板上水位由８．００ｍ升至９．００ｍ或１２．００ｍ时，每块底板相应受顺时针转向的９８０ｔ·ｍ或４３００ｔ·ｍ附加力矩，故新增沉陷是不均匀的，因而底板下游端沉陷量的增大（或减少）转之上游端沉陷的增大（或减少）为多，底板下沉使地基受压，其土壤中孔隙减少，含水受压外排。由于地基土质黏性较大，在底板上、下游末端又设有齿墙，限制了承压水的外排。结果其大部作用于底板上埋设的测压管，其水位自然抬高，由于下游沉陷量较上游端大，故下游测压管较上游增幅大。这时测压管已不是理论的直线变化了。

　　（３）测压管水位还与测压管结构形式等因素有关。１９８１年在常水头和变水头试验时，退水曲线与１９５７年退水曲线来比较，退水较缓慢。说明地基趋向密实。但也有几根测压管变化异常，退水曲线较陡，还有的长期退不下去。通过再次对部分管子进行压力水冲洗，部分测压管得到修复。

　　２．其他因素对三河闸测压管水位的影响分析

　　（１）从观测资料可以看出，在上游水位相差不太大时，随闸下泄流量的变化，底板上各沉陷标点高程也发生变化，两者大体有线性关系，下游标点高程变化较之上游大。总体来看，测压管水位变值随沉陷标点高程变值的平均值的增加或减少而增减，但很难有线性关系。同时，测压管水位变值也随闸下泄流量变值的增加或减少而增加或减少，一般不存在线性关系；在夏季上游水位及闸下游流量发生变化时，底板各测压管水位的变化是有差异的。

　　（２）从汛期测压管水位过程线中发现，当上游水位逐渐降低而测压管水位却还在逐渐升高时，虽然测压管水位与上游水位有滞后关系，但它与上游水位增减应是相应的。这种现象是少有的。测压管水位在冬季有时低于计算水位，甚至有的低于下游水位，可见气温对测压管水位是有影响的。即对渗透有影响，一年中不同时期地基土壤结构特性可能是不同的，在夏季各压管间水体易于相通，故在不同的上游水位及下泄流量的条件下，当下游流量有一增值时，各测压管水位相应增加，而冬季则即使在相同的条件下，各管中水体也不易相通。

　　（３）闸身沉陷是随下泄流量增加（或减少）而下沉（或上增），观测结果证实了这一点。这个现象引起了专家们的争议，一种认为下泄流量增大即意味着下游水位升高，下游水位升高，加大了底板荷载，但底板浮托力也在加大，而理论上应当是回弹，即闸身沉陷应当是随下泄流量的增大而上升。另一种认为在闸门关闭时，由于黏性土，底板浮托力还没形成，而闸下游水位在１０ｈ左右便回升稳定，在短期无疑是可能的，而且闸门全开下游水位升高，与上游水位接近。水位差趋向于零。这就意味着闸基一线上渗透压力趋于零。

　　（４）专家们及三河闸管理人员的分析结果。三河闸测压管异常情况引起不少科研单位、高等院校专家教授的重视，对上述情况作了探讨。苏联专家龙仁也研究过，他的结论是由于下泄大流量时，底板因荷载增大而下沉，引起底板下地基中孔隙水压力上升，从而使测压管水位抬高所致，苏联在黏性土基上的一些大坝也存在类似现象，测压管水位有时超出上游水位数米之多。也有人认为是由于地下水引起的。还有一种看法认为：两岸空箱岸墙，当上游水位升高，岸墙荷载增大，由于岸墙超荷载而引起的。但三河闸闸宽长达８００ｍ，中间的测压管不会受影响。三河闸测压管水位异常情况，长期以来一直在进行探讨研究，对于上述几种看法也一直进行着研究、验证。１９８２年汛期，测压管水位观测工作和沉陷观测同时进行，在泄放５０００ｍ３／ｓ流量、３０００ｍ３／ｓ流量、１０００ｍ３／ｓ流量，关闸后都进行了沉陷观测工作，从观测资料中来看，闸基沉陷量是随闸下泄流量的增减而沉升。同时也发现这样一个问题即下游标点较上游沉陷大，从测压管观测资料也可看出，下游４号管水位较上游１号管数值大，应是孔隙水压力与渗透压力共同作用的结果。从１９６３年７月１３日、９月２８日测压管水位连线来看，测压管水位从上游到下游也逐渐升高。专家们对三河闸测压管水位异常情况提出了几种看法：一是在闸基可能有强透水层，透水层有一水源供给，夏季高，冬季低，从而造成了测压管水位夏季高于上游水位，冬季低于下游水位。二是闸身在泄放流量时受到振动，引起附加地基上压力增大，使测压管水位上升。三是温度的影响使混凝土在纵向、横向发生变形，造成部分底板与地基接合面的开合，从而引起测压管水位变化。四是也可能由于反滤层设计不合理，反滤层与下游出溢处齿坎齐平，趋向无穷大，即该点渗透流速无穷大，造成该处产生负压，使测压管水位低于下游水位。

　　３．结语

　　目前研究结果表明：一是水闸闸基的扬压力不一定低于闸上水头，二是水闸闸基的扬压力不一定就高于闸后水头，三是水闸闸基自上而下的扬压力不一定是以直线从大到小分布的，闸基渗流是一个极其复杂的问题，探索出它的规律，还需要做大量的工作。重点是加强建筑物的原型观测，系统地整理观测资料，验证专家们的分析结果。三河闸测压管水位异常情况已经表明，目前渗透计算理论和防渗设计与已建水工建筑物实测数据相矛盾，探讨闸基渗流对验证渗透理论、防渗设计、工程安全都有积极的意义。

　　根据目前的分析结果和三河闸的特性，以后要做的工作应是：

　　一是对部分测压管进行处理，排除淤塞问题。二是在两岸各增埋一排或两排测压管，以掌握两岸绕流渗透的情况。三是在上游护坦入渗端、下游滤水器上补设测压管和渗压计，同时在中间加三四根测压管，以掌握闸基渗透沿地下轮廓线的变化情况和下游水位对闸基扬压力的影响。四是在一组测压管中装上自记水位计，以便及时掌握闸基渗透情况、滞后情况和温度影响情况。五是在两岸进行实地钻探，排查闸基是否有强透水层。六是对资料进行分类整理。七是搜集全国各地水工建筑物渗透观测资料，掌握一些水工建筑物工作情况。

　　（作者单位：江苏省三河闸管理处）