闸坝地基渗流计算的改进阻力系数法
改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用
改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用1. 引言1.1 背景介绍水闸在水利工程中扮演着重要的角色，控制着水流的流动和水位的变化。
而水闸的设计与维护中，对水闸周围的渗流情况进行准确的计算和分析至关重要。
传统的计算方法往往存在一定的局限性，无法完全满足工程实际需求。
研究改进的计算方法对水闸渗流的准确性和效率性具有重要意义。
改进阻力系数法是一种基于实际工程经验的计算方法，通过考虑水流在渗流过程中受到的各种阻力的影响，对水闸渗流进行计算分析。
与传统方法相比，改进阻力系数法在考虑更多因素的基础上，能够更加准确地预测水流的渗漏情况。
Autobank有限元分析是一种基于数值模拟的技术，通过建立数学模型对水流在水闸周围的渗流过程进行模拟。
该方法能够考虑更多复杂的因素，并且在计算精度和计算效率上都有较大优势。
改进阻力系数法和Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用具有重要意义，有助于提高水利工程设计的准确性和效率性。
1.2 研究意义水资源是人类生存和发展的重要基础资源，水闸在水资源管理领域发挥着至关重要的作用。
在水闸设计和维护过程中，水渗流计算是一项关键的技术。
而改进阻力系数法和Autobank有限元分析作为两种常用的计算方法，在水闸渗流计算中具有重要的应用价值。
研究意义主要体现在以下几个方面：通过对改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法在水闸渗流计算中的应用进行深入研究和分析，可以为水资源管理和工程设计提供更为准确和可靠的计算结果，从而提高水闸的设计和维护水平。
通过比较改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法的优劣势，可以为工程技术人员选择合适的计算方法提供参考，同时也可以为改进和完善这两种方法提供指导和借鉴。
对改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法在水闸渗流计算中的应用进行研究，有助于推动水资源管理技术的进步，为我国水资源的可持续利用和保护提供技术支持和保障。
改进阻力系数法(水闸渗流)
C.2 改进阻力系数法C.2.1土基上水闸的地基有效深度可按公式(C.2.1-1)或(C.2.1-2)计算： 当500≥S L 时, 05.0L T e = (C.2.1-1) 当500 S L 时, 26.15000+=S L L T e (C.2.1-2) 式中 T e ---土基上水闸的地基有效深度(m)；L 0 ---地下轮廓的水平投影长度(m)；S 0 ---地下轮廓的垂直投影长度(m).当计算的T e 值大于地基实际深度时,T e 值应按地基实际深度采用.C.2.2 分段阻力系数可按公式(C.2.2-1)~(C.2.2-3)计算：1 进,出口段(见图C.2.2-1)：441.05.1230+⎭⎬⎫⎩⎨⎧=T S ξ (C.2.2-1)式中 a 0 ---进,出口段的阻力系数；S---板桩或齿墙的入土深度(m)；T---地基透水层深度(m).2 内部垂直段(见图C.2.2-2)：(C.2.2-2)式中 a y ---内部垂直段的阻力系数. 图C.2.2-1 图C.2.2-2图C.2.2-33 水平段(见图C.2.2-3)：()TS S L x x 217.0+-=ξ (C.2.2-3) 式中 a x ---水平段的阻力系数；L x ---水平段长度(m)；S 1 ,S 2 ---进,出口段板桩或齿墙的入土深度(m).C.2.3 各分段水头损失值可按公式(C.2.3)计算：∑=∆=n i ii i H h 1ξξ (C.2.3) 式中 h χ ---各分段水头损失值(m)；a i ---各分段的阻力系数；n---总分段数.以直线连接各分段计算点的水头值,即得渗透压力的分布图形.C.2.4 进,出口段水头损失值和渗透压力分布图形可按下列方法进行局部修正： 1 进,出口段修正后的水头损失值可按公式(C.2.4-1)~(C.2.4-3)计算(见图C.2.4-1)：0''0h h β= (C.2.4-1)∑==ni i h h 10 (C.2.4-2)⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=059.0212121.1'2''T S T T β (C.2.4-3) 图C.2.4-1式中 h '0 ---进,出口段修正后的水头损失值(m)；h 0 ---进,出口段水头损失值(m)；β'---阻力修正系数,当计算的β′≥1.0时,采用β′＝1.0；S ' ---底板埋深与板桩入土深度之和(m)；T '---板桩另一侧地基透水层深度(m).2 修正后水头损失的减小值,可按公式(C.2.4-4)计算：()0'1h h β-=∆ (C.2.4-4)式中 Δh---修正后水头损失的减小值(m).3 水力坡降呈急变形式的长度可按公式(C.2.4-5)计算：T I HhL N i X ∑=∆∆=ξ1'(C.2.4-5)式中 L'x ---水力坡降呈急变形式的长度(m).4 出口段渗透压力分布图形可按下列方法进行修正如图C.2.4-2所示,图C.2.4-2中的QP ′为原有水力坡降线,根据公式(C.2.4-3)和(C.2.4-4)和公式(C.2.4-5)计算的⑽h 和L'x 值,分别定出P 点和O 点,连接QOP,即为修正后的水力坡降线.图C.2.4-2C.2.5 进,出口段齿墙不规则部位可按下列方法进行修正(见图C.2.5-1和图C.2.5-2)： 图C.2.5-1 图C.2.5-21 当h x ≥Δh 时,可按公式(C.2.5-1)进行修正：h h h x x ∆+=' (C.2.5-1)式中 h x ---水平段的水头损失值(m)；h'x ---修正后的水平段水头损失值(m).2 当h x ＜Δh 时,可按下列两种情况分别进行修正：1)若h x +h y ≥Δh,可按公式(C.2.5-2)和公式(C.2.5-3)进行修正：x x h h 2'= (C.2.5-2)h h h h y y -∆+='(C.2.5-3)式中 h y ---内部垂直段的水头损失失值(m)；h'y ---修正后的内部垂直段水头损失值(m).2)若h x +h y ＜Δh,可按公式(C.2.5-2),公式(C.2.5-4)和公式(C.2.5-5)进行修正：y y h h 2'= (C.2.5-4)()y x cd cd h h h h h +-∆+=' (C.2.5-5)式中 h cd ---图C.2.5-1和图C.2.5-2中CD 段的水头损失值(m)；h'cd ---修正后的C Ρ段水头损失值(m).以直线连接修正后的各分段计算点的水头值,即得修正后的渗透压力分布图形.C.2.6 出口段渗流坡降值可按公式(C.2.6)计算：''0Sh J = (C.2.6) 式中 J---出口段渗流坡降值.。
直线比例法与改进阻力系数法计算渗透压力的比较
直线比例法与改进阻力系数法计算渗透压力的比较摘要：直线比例法是工程中对堰闸底板所受的扬压力作粗略计算的一种方法，改进阻力系数法是一种将流体力学在较简单的边界条件下得到的解析解应用到复杂边界条件下的一种近似计算方法。
这两种算法各有其特点，本文从工程角度比较了其差异和应用方面注意的问题。
关键词：直线比例法；改进阻力系数法；渗透压力[ Abstract ]The line ratio method is the method of making a rough calculation to the weir sluice base uplift pressure in the engineering, and the improving resistance coefficient method is an approximate calculation method which puts the fluid dynamics obtaining an analytical solution in a simple boundary conditions into the complex boundary conditions. The two algorithms have their own characteristics, this article compares their differences and application problems from the engineering.[ Key words ] line ratio method; improving resistance coefficient method; osmotic pressure1.直线比例法.直线比例法是工程中对堰闸底板所受的扬压力作粗略计算的一种方法，其特点是计算快捷，适用于快速估算；但其结果的精度较低，而且不能据此计算其他渗流的水力要素。
水工建筑物改进阻力系数法
0.799.094.0100.0104.75100.098.797.990.5 不透水层面砂壤土99.698.458.60.70.750.7581一、计算阻力系数。
1.有效深度的确定由于,,则,闸基到相对不透水层厚度T=100、00-90、5=9、5m。
由式子6-8计算得:因此按实际透水深度T=9、5m进行计算。
2.简化地下轮廓如下图99.094.098.45104.75100.098.797.990.5砂壤土99.6(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)123456789100.710.058.751L0=20.5(11)T=9.5把1,2,3简化为进口段;4为铺盖水平段;5,6为板桩垂直段;7底板水平段;8齿墙垂直段;9齿墙水平段;10为出口段。
3.计算阻力系数(1)进口段:将齿墙简化为短板桩,板桩入土深度0、6m,铺盖厚0、4m。
求得;,又。
,进口段的阻力系数为(2)铺盖水平段:;又,计算水平段的阻力系数为(3)板桩垂直段:左侧;,;,板桩垂直段阻力系数为(4)底板水平段:;又,计算水平段的阻力系数为(5)齿墙垂直段:左侧;,板桩垂直段阻力系数为(6)齿墙水平段:; ,计算水平段的阻力系数为(7)出口段:,阻力系数为二、渗透压力的计算1、各个分段渗透压水头损失值由式(6-7),其,。
(1)进口段:(2)铺盖水平段:(3)板桩垂直段:(4)底板水平段:(5)齿墙垂直段:(6)齿墙水平段:(7)出口段:2、进出口水头损失值得修正(1)进口处:由式(6-9)的得修正系数β,进口段的水头损失值应修正为进口段水头损失减小值即水力坡降呈急变按下计算:(2)出口处:由式(6-9)的得修正系数β,出口段的水头损失值应修正为出口段水头损失减小值采用《水闸设计规范》修正相应的h值验算。
3、各角点处的渗压水头从上游进口开始,逐次向下游从水头4、75m减去各段的损失值,即可的到每个点的渗压水头值:。
改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用
改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用随着水利工程建设的不断推进，水文水资源工作也在不断发展，为了更好地保护水资源和有效利用水资源，人们对水文水资源的测算、分析和预测的需求也不断增加。
水闸渗流计算是水利工程建设和管理中的一个重要环节，合理准确的渗流计算结果对于水闸的设计与管理具有关键性的作用。
传统的水闸渗流计算方法采用阻力系数法，该方法基于经验公式，计算简便，但由于忽略了细部结构的影响以及对潜水、厚地层的处理不够合理，导致了计算结果的精度较低。
为了克服传统阻力系数法的不足，有限元分析技术被引入水闸渗流计算中，其精度和可靠性得到了大幅提升，从而为水闸渗流计算提供了新的思路与方法。
改进阻力系数法是传统阻力系数法的一种改进版本，它考虑了土体细部结构的影响，并根据地层的不同特性给出了不同的阻力系数，因而提高了计算结果的准确性。
而有限元分析则采用数学模型和计算机模拟，能够准确地描述水流的变化情况，同时考虑了土体单元的不均匀性和弹性模量的影响，从而提高了计算结果的精度。
改进阻力系数法与有限元分析技术的结合应用已经在水闸渗流计算中得到了广泛的应用。
以混凝土重力坝为例，传统阻力系数法对于较为简单的坝体结构可以得到满意的结果，但对于细部结构复杂的坝体则无法满足精度要求。
而改进阻力系数法可以通过对不同结构和不同区域的阻力系数进行合理设定，得到更加准确的渗流计算结果。
有限元分析技术则可以在考虑土体细部结构和非均质性的基础上，通过建立适当的数学模型，对不同条件下的水流进行详细模拟，从而提高了计算结果的精度。
在实际工程中，对于水闸渗流计算管理人员必须根据实际情况合理选用改进阻力系数法或有限元分析技术进行渗流计算。
对于较为简单的水闸渗流计算问题，改进阻力系数法可以提供较为准确的计算结果，计算简便，符合实际的需要。
而对于较为复杂的水闸渗流计算问题，有限元分析技术可以提供更加精确的计算结果，但计算步骤相对较为复杂和繁琐，需要具备一定的专业知识和计算机模拟能力。
改进阻力系数法(水闸渗流)
C.2 改进阻力系数法C.2.1土基上水闸的地基有效深度可按公式(C.2.1-1)或(C.2.1-2)计算： 当500≥S L 时, 05.0L T e = (C.2.1-1) 当500 S L 时, 26.15000+=S L L T e (C.2.1-2) 式中 T e ---土基上水闸的地基有效深度(m)；L 0 ---地下轮廓的水平投影长度(m)；S 0 ---地下轮廓的垂直投影长度(m).当计算的T e 值大于地基实际深度时,T e 值应按地基实际深度采用.C.2.2 分段阻力系数可按公式(C.2.2-1)~(C.2.2-3)计算：1 进,出口段(见图C.2.2-1)：441.05.1230+⎭⎬⎫⎩⎨⎧=T S ξ (C.2.2-1)式中 a 0 ---进,出口段的阻力系数；S---板桩或齿墙的入土深度(m)；T---地基透水层深度(m).2 内部垂直段(见图C.2.2-2)：(C.2.2-2)式中 a y ---内部垂直段的阻力系数. 图C.2.2-1 图C.2.2-2图C.2.2-33 水平段(见图C.2.2-3)：()TS S L x x 217.0+-=ξ (C.2.2-3) 式中 a x ---水平段的阻力系数；L x ---水平段长度(m)；S 1 ,S 2 ---进,出口段板桩或齿墙的入土深度(m).C.2.3 各分段水头损失值可按公式(C.2.3)计算：∑=∆=n i ii i H h 1ξξ (C.2.3) 式中 h χ ---各分段水头损失值(m)；a i ---各分段的阻力系数；n---总分段数.以直线连接各分段计算点的水头值,即得渗透压力的分布图形.C.2.4 进,出口段水头损失值和渗透压力分布图形可按下列方法进行局部修正： 1 进,出口段修正后的水头损失值可按公式(C.2.4-1)~(C.2.4-3)计算(见图C.2.4-1)：0''0h h β= (C.2.4-1)∑==ni i h h 10 (C.2.4-2)⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=059.0212121.1'2''T S T T β (C.2.4-3) 图C.2.4-1式中 h '0 ---进,出口段修正后的水头损失值(m)；h 0 ---进,出口段水头损失值(m)；β'---阻力修正系数,当计算的β′≥1.0时,采用β′＝1.0；S ' ---底板埋深与板桩入土深度之和(m)；T '---板桩另一侧地基透水层深度(m).2 修正后水头损失的减小值,可按公式(C.2.4-4)计算：()0'1h h β-=∆ (C.2.4-4)式中 Δh---修正后水头损失的减小值(m).3 水力坡降呈急变形式的长度可按公式(C.2.4-5)计算：T I HhL N i X ∑=∆∆=ξ1'(C.2.4-5)式中 L'x ---水力坡降呈急变形式的长度(m).4 出口段渗透压力分布图形可按下列方法进行修正如图C.2.4-2所示,图C.2.4-2中的QP ′为原有水力坡降线,根据公式(C.2.4-3)和(C.2.4-4)和公式(C.2.4-5)计算的⑽h 和L'x 值,分别定出P 点和O 点,连接QOP,即为修正后的水力坡降线.图C.2.4-2C.2.5 进,出口段齿墙不规则部位可按下列方法进行修正(见图C.2.5-1和图C.2.5-2)： 图C.2.5-1 图C.2.5-21 当h x ≥Δh 时,可按公式(C.2.5-1)进行修正：h h h x x ∆+=' (C.2.5-1)式中 h x ---水平段的水头损失值(m)；h'x ---修正后的水平段水头损失值(m).2 当h x ＜Δh 时,可按下列两种情况分别进行修正：1)若h x +h y ≥Δh,可按公式(C.2.5-2)和公式(C.2.5-3)进行修正：x x h h 2'= (C.2.5-2)h h h h y y -∆+='(C.2.5-3)式中 h y ---内部垂直段的水头损失失值(m)；h'y ---修正后的内部垂直段水头损失值(m).2)若h x +h y ＜Δh,可按公式(C.2.5-2),公式(C.2.5-4)和公式(C.2.5-5)进行修正：y y h h 2'= (C.2.5-4)()y x cd cd h h h h h +-∆+=' (C.2.5-5)式中 h cd ---图C.2.5-1和图C.2.5-2中CD 段的水头损失值(m)；h'cd ---修正后的C Ρ段水头损失值(m).以直线连接修正后的各分段计算点的水头值,即得修正后的渗透压力分布图形.C.2.6 出口段渗流坡降值可按公式(C.2.6)计算：''0Sh J = (C.2.6) 式中 J---出口段渗流坡降值.。
闸基渗流段的阻力系数
闸基渗流段的阻力系数闸基渗流段阻力系数指的是水在闸基渗流段中通过时所受到的阻力与流速之间的关系。
闸基渗流段是指水流通过闸门或溢洪道时所经过的基础地段。
由于闸基渗流段具有很大的长度和较复杂的几何形状，其阻力系数计算十分重要。
以下是一些与闸基渗流段阻力系数相关的参考内容。
1. Manning公式闸基渗流段的阻力系数可以通过Manning公式进行计算。
Manning公式是一种经验公式，常用于计算河道或渠道中水流的阻力。
其公式如下：V = (1/n)*R^(2/3)*S^(1/2)其中，V为水流的平均流速，n为Manning粗糙系数，R为湿周与过流面积的比值，S为水流的坡度。
2. Manning粗糙系数Manning粗糙系数n是闸基渗流段阻力系数的重要参数。
它反映了流经表面的摩擦阻力。
根据实测资料，可以选取不同的n 值。
例如，对于混凝土表面，一般取n值为0.013-0.015；对于光滑表面，如金属表面，n值可取0.012；对于粗糙表面，如淤泥表面，n值可取0.035-0.055。
Manning粗糙系数的选取需要根据具体情况进行，一般可以参考相关规范或经验值。
3. 过流面积过流面积是指水流通过闸基渗流段时所经过的有效面积。
过流面积的大小直接影响阻力系数的计算。
过流面积可以通过测量闸基渗流段的几何形状来确定。
常用的测量方法包括测量高程和几何测量。
根据测量结果，可以计算出闸基渗流段的过流面积。
4. 湿周湿周是指水流通过闸基渗流段时所经过的湿壁长度。
湿周的大小也会影响阻力系数的计算。
湿周可以通过测量闸基渗流段的几何形状来确定。
常用的测量方法包括测量高程和几何测量。
根据测量结果，可以计算出闸基渗流段的湿周。
5. 总能量方程闸基渗流段中的水流可以视作能量守恒的过程。
根据总能量方程，可以通过测量闸基渗流段的起点和终点水位以及流量，来计算闸基渗流段的能量损失。
能量损失可以转换为阻力，从而计算阻力系数。
总能量方程的推导需要考虑水流在闸基渗流段中的各项能量损失，包括沿程摩擦能损失、急流和涡流能损失等。
渗流计算
4.2.3.2 闸基渗流计算1、渗流计算的目的和计算方法计算闸底板各点渗透压力，验算地基土在初步拟定的底下轮廓线下的渗透稳定性。
计算方法有直线的比例法、流网法和改进阻力系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，因此采用此法进行渗流计算。
1）用改进阻力系数法计算闸基渗流 （1）地基有效深度的计算根据S L 与5比较得出，0L 为地下轮廓线水平投影的长度，为33m ；0S 为地下轮廓线垂直投影的长度，为7m 。
则571.473300<==S L ，所以地基有效深度m S L L T e 29.1726.150=+=。
（2）分段阻力系数的计算为了计算的简便，特将地下轮廓线进行简化处理，通过底下轮廓线的各角点和尖端将渗流区域分成8个典型段，如图4.2.3.2-1所示。
其中Ⅰ、Ⅷ段为进口段和出口段，用公式441.0)(5.1230+=T Sζ计算阻力系数，Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ段为内部垂直段，用公式)1(4ln 2TSctgy -=ππζ计算阻力系数，Ⅲ、Ⅵ段为水平段，用公式TS S L x )(7.021+-=ζ计算阻力系数。
其中21,,S S S 为板桩的入土深度，各典型段的水头损失按公式∑=∆=ni iii Hh 1ξξ计算，对于进出口段的阻力系数修正，按公式0''0h h β=，式中)059.0(2)(12121.1'2''+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=T S T T β，0')1(h h β-=∆计算，其中'0h 为进出口段修正后的水头损失值，0h 为进出口段损失值，'β为阻力修正系数，当0.1'≥β时，取0.1'=β，'S 为底板埋深与板桩入图深度之和，'T 为板桩另一侧地基透水层深度。
其计算见表2.3.2-1：图4.2.3.2-1 渗流区域分段图 （单位：m ）表4.3.2.2-1 各段渗透压力水头损失 单位：（m ）表4.3.2.2-2 进出口段的阻力系数修正表 单位：（m ）Ⅷ（3）计算各角点的渗透压力值用上表所计算的水头损失进行计算，总的水头差分别为4.0m 和4.5m ，各段后角点渗压水头=该段前点渗压水头—此段的水头损失，结果列入表4.3.2.2-3：表4.3.2.2-3 闸基各角点渗透压力值 单位：（m ）（4）算渗流逸出坡降①出口段的逸出坡降分别为14.02.6859.0''===S h J 和16.02.6966.0''===Sh J ，由《水闸设计规范》可查得[]5.0=J ，则都小于地基土出口段允许渗流坡降值[]5.0=J ，满足要求，不会发生渗透变形。