浅谈涵洞式水闸设计中的几个问题.docx

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浅谈涵洞式水闸设计中的几个问题

浅谈涵洞式水闸设计中的几个问题

第9卷3期

1997年9月

宁夏I学院t自然科学版）

（NaturalScience）September,1997

浅谈涵洞式水闸设计中的几个问题

马成军

（宁夏水利水电勤耐设计院）

_

摘要涵洞式水闸常修建在挖方较探的渠道中及填土较高的坝堤下,由于抗滑稳定能得.yJ保

证,所以期设计常易被人忽视,使得永闸在运行中经常出现底板不均匀沉陷t洞身段产生裂缝,渗

漏现象.造成地基渗透变形等不良后果,严重时会威胁水陌及堤防的安全.文章对涵洞式水闸设计

中的水力计算及泄水,渗流产生曲影响进行了探讨.

萎涵ISS洞N计算pr母I霞聋,阋皇分类号¨一fI

水闸按照闸室构造不同,可以分为开敞式水闸和涵洞式水闸.开敞式水闸闸窒顶部没有填

土,是露天的;涵洞式水闸闸室有洞身段,洞顶有填土覆盖.当有交通要求时.可在填土顶部设

置公路.涵洞式水闸常修建在挖方较深的渠道中及填土较高的河堤下.由于闸室及闸室后的{l+J

身覆有填土,上部重量较大,水闸的抗滑稳定易得到保证.以这一方面讲,相对于开敞式水闸较

为有利.但是涵洞式水闸属于地下建筑物,其水力计算不同于开敞式水闸.泄流能力往往受涵

洞长度,坡度及断面尺寸控制.在结构计算中,涵洞的受力特点是:

除承受自重,内水压办,地基

反力,温度荷载等作用外,还要同时承受土压力和外水压力的作用.如果地基条件不好,设计不

合理,施工质量差.或者工程老化年久失修,将导致闸室底板及嗣身段产生不均匀沉陷,出现

裂缝,产生渗漏.使建筑物或各构件强度下降.钢筋锈蚀,涵洞气蚀及溶蚀等病害.不仅直接影

响水闸本身的安全性和耐久性,更重要的是将危及水闸所在处的渠堤或坝堤的安全.另外.涵

洞四周及埋土接触面易产生渗漏现象,形成洞外壁与堤渠间的渗漏通道.倒如.捷克的威谢～

戴谢（weisse,Desse）坝,该坝的泄水建筑物采用坝下涵管.泄水管道尺寸不详,进口处设进水

塔一座.当库水位及满库水位的3/4时.整个坝彻底冲毁,全坝仅将泄水建筑物孤零零留在河

道上.此坝破坏的原因是在坝体与泄水建筑物舸有渗流通道.即穿箱漏.当泄水建筑物运行时.

总是有轻微振动的,将加剧渗流通道的发展.德目的居多夫坝.美国的台维斯坝和我国已浈决

的部分土涵管型工程,均属于此类事故,美国的帝国（Enpire）水库则是由于坝身埋管破裂酿成

事故,其原因是泄水管道沉陷后开裂漏水.水流通过管道裂缝将泄水管道周围填土带走后一加

剧了沉陷.发展到将泄水建筑物破坏.并将坝体中下游全部’中走.美国亚佛琴尼亚动力和输也

公司曾分析了102个土坝失事记录,仅管道渗漏所占的66倒达.根据调查资料表明,

运行了一段时间的涵洞式水闸部不同程度上存在着工程隐患,同时.由于涵洞式水闸表面被泥

土覆盖,其各种病害不易被发现.一旦发现.其情况一般已较严重.且修复加固困难

1涵洞式水闸的泄流计算

1997—01—15收到.作者:

男.1964年生.宁夏中卫』,.工程师.从事木利工程设计

.72.宁夏I学院学植（自然科学版）1997年

开敞式水闸一般是护坦紧接闸室,其次是海漫,防冲槽等,其闸孔尺寸都按淹没宽顶堰流

公式计算确定.涵洞式水闸的闸室后面是涵洞.由于地形条件及工程量等因素的影响,涵洞断

面及底坡不可能很大,再加上涵洞一般较大,因而涵洞式水闸的泄流能力往往受涵洞各参数控

制,其泄流能力应视不同情况进行计算.根据涵洞洞顶是否被淹没而将水流分为无压流和有压

流.

无压流涵洞式水闸泄流计算

无压流涵洞要保证在各种水位流量情况下,洞顶应高出洞内水面一定高度,一般为40cm.

洞顶净空面积应为涵洞断面面积的15一20.涵洞分为长洞和短洞,洞长不影响过流能力

的涵洞称为短洞;反之稚为长洞,其判别方法如下:

当涵洞底坡为缓坡且趋近平坡时,长短洞的界限长度为:

厶:

一（64—163m）H

式中:

H一上游水深（m）;

m一进口的流量系数,一般取m一～.

当洞长大于时为长洞{反之为短洞.当底坡为陡坡（>ik）.泄流能力不受洞长影响,

按短洞进行计算.

短洞的计算由于泄流能力不受洞长影响,进口水流为宽顶堰流.故可用下式计算流

量Q:

Q—mas?

b（Zg）”?

日”

式中m一流量系数一淹没系数

.

6一短形涵洞过水断面的宽度（m）;当过水断面为非矩形时,6一H/.为临

界水探（m）;为对应于日的过水断面面积（m）;

日.一以涵洞出口断面底板高程起算的上游总首先要确定涵管是有压流还是无压流,并判断属于长洞还是短洞,然后根据情

况采用相应的公式进行计算.

在实际涵管设计或工程操作运用时,常遇到泄水管道中水流流态介于有压流和无压流之

间明满流交替的特殊水流现象过去有一些国家.明文规定在工程管理运用中,不允许出现这

种现象.但是,不少的工程实践证明,尽管人们可以使泄水管道在正常工作时避免此种情况,但

是,在非正常运用中,就很难避免发生明满流交替的水流流态.如安微省佛干岭水库泄洪钢管

在非正常运用中,管道就发生了比较严重的低频大振幅的振动,由于明满流流态造成工程事故

第9卷3期马成军:

浅谈涵掘式水问设计中的~-4”f-]题:

.

.

者,如西班牙桑艾斯提邦坝泄洪隧洞即为一例.在投入运行后,过流数天.通气孔信出芦口.隧

洞出口流态有变化.在隧洞出口堆积了数千米的石块和混凝土块,经关闸检查,发现厦弧段下

游形成严重冲刷,这段冲刷,除底部形成坑外,连同醚洞的顶拱和边墙也遭破坏,同时发现.除

冲刷破坏外,洞顶岩石坍塌十分严重,顶部冲刷和坍塌所造成的空嗣,坍方和冲刷量达

12000余方,使工程无法运行,经调查分析发生事故的原,是由于尾水位升高,把应当发生吐铜

外的水跃压回到隧洞内部,形成升高,形成明满流流态,兼之局部地方有可能发生空蚀造成工

程事故,如上所述,明满流水流流态,由于水文条件尚难准确掌握,运用条件也会变化,故在设

计中就对这一问题有所估计,发生时能够控制.

2地基条件的影响

地基条件是设计时主要考虑的因素之一,在涵洞式水闸中地基条件更显得重要.首先,渠

线地质条件差异很大,渠堤会产生沉陷,经过若干年后沉降才趋于停止.由于筑渠一般是用土

料.如没有其它破坏,渠堤的安全稳定性一般都会逐渐提高.但在渠堤上建水闸后,情况则完垒

不同,水闸都是由混凝土,浆砌石建成的,涵洞沿纵向地质条件有时有差异,涵洞上部荷城大小

不同,水闸在运行过程中会发生沉陷,地基不均匀沉陷将造成闸室底板裂缝,严重时会导致断

裂.影响工程安全;其次,水闸外周的刚性封料一般很难保证和四周土体结合紧密,再加上地基

变形,渗流的影响,则会进一步破坏天然地基和降低地基的承鬣能力.

在涵洞式水闸施工及运行中常常会出现一些不可预见的影响因素,致使水闸设汁中地基

的承载能力不能满足要求,从计算判断不应该出现问题,但在水闸建成一段时间后.闸底板发

生变形,断裂,或接缝中的止水破坏,使地基发生渗透变化,影响堤防安全.

对于涵洞式水闸,由于闸室及涵洞较长.相应增加了闸址选择的难度.如果地基性质在平

面上分布不均匀,就会引起水闸各部位的不均匀沉降和结构变化,影响接缝止水的可靠性增

加结构的次应力,因而对水闸的安全有直接影响.一般来讲.绝对均匀的天然地基是不存在的.

水闸所要求的地基均匀性是相对的,只要求地基的不均匀变形不超过水闸正常工作的许可范

围,或者采用简单的措施（例如调整基底的荷载强度或基础的埋置深度,或者增加水闸及涵洞

的宽度等）,把不均匀的沉降减小到许可范围内即可.

3水闸泄流的影响

涵洞式水闸常建造在渠堤或河道堤防的一侧;因此,水闸的泄流经常受到渠道或外河水

位影响.在满负荷灌溉期或汛期,一般情况下,上下游水位差很小,过闸水出流为急流状态,而

涵洞水流可能为有压流.也可能为无压流,对于低水头泄水涵洞,水压力一般不很大,涵恫的主

要作用力为上部荷载及地基反力.值得注意的是,对属于长管的涵洞式水闸,水闸开始泄流时.

闸门的第一次开度不能太大,否则会造成涵洞|申刷,动水压力急增等;特别是有压涵洞,闸门不

均匀开启或闸门开度过大会使洞内发生水跃及掺气现象掺气会减少管道的过水面积.从而降

低泄流能力.影响工程安全.同样,闸门关闭的速度不能太决.否则会在有压涵佩内产生求拉现象

当涵洞内的水流流速太大时,设计时须慎重考虑由于地基不均匀沉陷引起涵}旧接缝裂

造成的危害,例如涵洞接缝开裂造成洞内水流补渗,会造成浸润线增高,严重日可能导致渗透

变形,,特别是当涵洞发生不均匀沉陷造成过大的裂缝时.由于洞内高速水流的作用.内压强

.74.宁夏I学院（自然科学版）1997年

减小,外水倒渗,如果裂缝外没有反滤层保护,洞内高速水流将把洞外土料带入管内,并随水流

带走,在裂缝外形成空洞,进一步加剧裂缝的发展,直至涵洞断裂.通常,对于比较长的涵洞,地

基的不均匀沉陷是不可避免的.因此,涵洞分缝的间距不能太大,除做好接缝止水外,还应在分

缝外布置反滤层.此外,还要防止高速水流对涵洞的磨损,气蚀等.

4流速的影响

建闸筑渠或堤以后,在上下游水位差的作用下,水流将沿着闸基及两侧产生渗流.渗流对

涵洞式水闸的影响和开敞式水闸类似,例如抬高浸润线,降低闸室有效重量,减小地基土的摩

擦系数等.尽管如此,涵洞式水闸由于其上部的填土作用,抗滑稳定还是容易满足要求.但是,

水闸建成运行一段时问以后,由于地基及填土不均匀等因素的影响,闸室或涵洞会产生不均匀

沉陷,涵洞产生裂缝,渗水,再加上闸室及涵洞与外周的土体结合不紧密,会进一步加剧渗流的

破坏作用..

防止水闸渗透变化的措施是多方面的,首先是做好防渗设计,做好水闸上下游布置和两侧

边墙的布置设计,严格控制麓工质量,防止地下轮廊线范围内的伸缩缝止水不严密引起的漏

水.其次是做好排水设计,把渗流溢出面的位置安排在低压区;第三是做好反滤层设计,特别是

闸室及涵洞的接缝止水处,即要防止水断裂使得洞内水流外渗,又要防止高速水流造成的负

压,将裂缝处的土料带走.在彭阳周庄水库设计中,我们采取缩短分缝间距,在闸后高速水流区

设反滤层,接缝处设扩大体等办法,取得了一定的效果,目前涵洞运行良好.

参考文献

1武祝水刺电力学院水力学教研室.水力计算手册.北京水利电力出版,1980

2谈樵嚏.求柯设计.北京:

水利电力出版社.1986

3柴恭纯.姜树海,毛世民求工泄水建筑物的水力设计与运行管理1989

DiscussionAboutSomeQuetionofCloughDdesigh

MaChenJun（NingxmInstituteofWaterCo,~,*er’oancyandElectricityDesign）

AbstractCloughsareusua]]ybui]t;nrelativelycloughdeepcana]sorbeneathrelative]

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KeywordsCuhrertC]oughCalculationPercolatingflowDeformation