闸基渗流计算(改进阻力系数法)

闸基渗流计算

3.3.2 下闸首防渗计算（1）水位组合二堡船闸复核计算水位组合见表2.2。

表2.2 二堡船闸复核计算水位组合表计算情况上游（里运河）水位下游（头溪河）水位墙后水位设计(通航)情况 ▽8.5m ▽1.0m ▽3.5m 校核(防洪)情况▽9.6m ▽4.0m ▽3.5m 上闸首检修期 ▽6.5m ▽-1.0m ▽3.5m 设计(通航)情况▽8.5m ▽1.0m ▽3.0m 下闸首检修期▽-1.0m▽2.5m▽3.0m（2）验算防渗长度据文献[2]知，二堡船闸下闸首地下轮廓布置如图1所示图3 下闸首地下轮廓布置示意图（单位：高程m ；长度cm ）其实际长度：m L 6.306.00.130.150.1=+++=实 m H 5.70.15.8=−=∆ 4][1.45.76.30=>==∆=C HL C 实粉质粘土故下闸首防渗长度基本满足满足规范设计要求。

（3）下闸首渗流计算根据地下轮廓的特点和文献[5]规定，采用改进阻尼系数法计算，由图1可得到地下轮廓简化和分段，具体布置见图2。

图2 下闸首地下轮廓简化、分段布置图（单位：高程m ；长度cm ）① 计算地基有效深度： L 0=15.0+13.0=28.0m S 0=1.1mL 0/ S 0=28.0/1.1=25.5＞5T e =0.5L 0=0.5×28.0=14.0m,下闸首地基土质均匀，相对不透水层为无限深，故下闸首地基渗流的影响范围以有效深度T e 控制。

② 计算各典型段的阻尼系数各典型段的几何特征及阻尼系数计算见表5。

表5 下闸首各典型段阻尼系数计算表③各典型段渗压水头损失计算各典型段渗压水头损失按公式H h iii ∆∑=ξξ计算，其中H ∆根据下闸首的运行工况确定，各典型段渗压水头损失具体计算结果见表6。

表6 各典型段渗压水头损失计算表（m ）计算情况 H ∆ 渗压水头损失h 1 h 2 h 3 h 4 h 5 h 6修正前1.162 0.0912.512 0.109 2.492 1.135 设计(通航)情况7.5修正后 0.729 0.182 2.854 0.109 2.923 0.704 修正前0.542 0.043 1.172 0.051 1.163 0.529 检修期3.5修正后0.340.086 1.331 0.051 1.364 0.328④ 进、出口段修正及各区段渗压水头损失调整。

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。

水闸渗透计算

【例4-1】某水闸地下轮廓布置及尺寸如图4-28所示。

混凝土铺盖长10.50m，底板顺水流方向长10.50m，板桩入土深度4.4m。

闸前设计洪水位104.75m，闸底板堰顶高程100.00m。

闸基土质在高程100.00～90.50m之间为砂壤土，渗透系数K砂=2.4×10-4cm/s，可视为透水层，90.50m以下为粘壤土不透水层。

试用渗径系数法验算其防渗长度，并用直线比例法计算闸底板底面所受的渗透压力。

（一）验算地下轮廓不透水部分的总长度（即防渗长度）。

上游设计洪水位104.75m，关门挡水，下游水位按100.00m考虑，排水设施工作正常。

C，作用水头为根据表4-2，可知砂壤土的渗径系数0.5=()m104=-∆H.=..4007510075故最小防渗长度为()m=∆CL⨯=H.752375.40.5=地下轮廓不透水部分的实际长度为+⨯+++++=L9.0⨯+⨯+5.07.06.05.124.44146.0.14148.75.0.1实1. 将地下轮廓不透水部分的总长度展开，并按一定的比例画成一条线，将各角隅点1、2、3 ……、17 依次按实际间距标于线上。

2. 在此直线的起点作一长度为作用水头 4.75m 的垂线 1-1′, 并用直线连接垂线的顶点 1′与水平线的终点17 。

1′~17 即为渗流平均坡降线。

3. 在各点作水平线的垂线与平均坡降线相交，即得各点的渗透压力水头值。

准确的渗压水头值可用比例公式计算求得。

4. 将1、2、3、……、17 各点的渗压水头值垂直地画在地下轮廓不透水部分的水平投影上，用直线连接各水头线的顶点，即可求出铺盖和底板的渗压水头分布图[ 图 4-28 (c ) ] 。

【例4-2】用改进阻力系数法计算例4-1中各渗流要素。

（一）阻力系数的计算1.有效深度的确定由于)m (5.205.10100=+=L ，)m (0.600.9400.1000=-=S ，故542.30.65.2000<==S L ，按式（4-19）计算e T)m (5.95.9000.100m 72.13242.36.15.20526.15000=-=>=+⨯⨯=+=T S L L T e故按实际透水层深度m 5.9=T 进行计算。

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.。

闸基渗流计算(无桩)

3闸基渗流计算3.1 渗流计算水位组合表3-1闸上水位闸下水位设计情况 2.00m 5.55m3.2 布置地下轮廓线(1) 初拟防渗长度由公式：错误!未找到引用源。

，式中：错误!未找到引用源。

——闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段的总和；错误!未找到引用源。

——上下游水位差；错误!未找到引用源。

——允许渗径系数，根据地下轮廓线所处位置的土质为粉土夹粉砂层，错误!未找到引用源。

的取值可查《水闸设计规范》SL 265-2001 ，C=9—13，取C为9，显然取错误!未找到引用源。

3.55m, 错误!未找到引用源。

=31.95m。

(2) 布置地下轮廓线地下轮廓线的具体尺寸见下图3-1图3-1 水闸地下轮廓线布置图（单位：长度cm，高程m）由上面水闸地下轮廓线布置图3-1可知：=1.85+0.6+0.5+14.4+0.8+0.5+0.5+10.9+0.5+0.8+13.4+0.5+0.6+1.05=46.9m显然有＞，满足要求。

3.3 划分各渗流典型段，计算各典型段的阻力系数根据地下轮廓的特点和《水闸设计规范》SL265-2001实施指南表规定，采用改进阻力系数法计算，由上图可得到地下轮廓简化和分段，具体布置见图3-2。

图3-2 地下轮廓简化、分段布置图（单位：高程m；长度cm）3.3.1地基有效深度L0=41.5m；S0=1.85m；L0/ S0=41.5/1.85=22.4＞5；T e=0.5L0=20.8m,闸基土质均匀，相对不透水层为无限深，故闸基渗流的影响范围以有效深度T e控制。

3.3.2各典型段的阻尼系数各典型段的几何特征及阻力系数计算见表3-2。

3.4各典型段的渗压水头损失各典型段渗压水头损失按公式H h iii ∆∑=ξξ计算，其中设计情况 4.5H m ∆=3.55，各典型段渗压水头损失具体计算结果见下表。

表3-3 各典型段渗压水头损失计算表（m ）3.5 修正进出口段的渗压水头损失（1）阻力修正系数，进、出口水头损失与修正后水头损失值的计算按下式：00''h h β=其中：]059.0][2)(12[121.1'2''++-=TST T β其中：0h ——进、出口水头损失(m)'0h ——修正后的进出后损失值(m)'β——阻力修正系数，当'β≥1时，取'β=1.0'S ——底板埋深与板桩入土深度之和，或为齿墙外侧埋深（m ）'T ——板桩另一侧地基透水层深度,或为齿墙底部至计算深度线的垂直距离(m)T ——地基透水层深度(m)分正向与反向挡水计算,具体计算结果如表3-4修正后水头损失的减小值：h h ）（'1β-=∆。

一.闸基渗流的主要危害

一．闸基渗流的主要危害⒈沿闸基的渗流对建筑物产生向上的压力，减轻建筑物有效重量，降低闸身抗滑稳定性，沿两岸的渗流对翼墙产生水平推力；⒉由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形；⒊严重的渗漏将造成大量的水量损失；⒋渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。

图9-9 闸基渗流*防渗设计的主要任务：寻求合理经济的防渗措施，合理拟定地下轮廓尺寸，消除渗流不利影响，保证水闸安全。

*防渗设计的内容包括：(1) 渗透压力计算；(2) 抗渗稳定性验算；(3) 滤层设计；(4) 防渗帷幕及排水设计；(5) 永久缝止水设计。

二闸基防渗措施1.闸基的防渗长度L：地下轮廓线（闸基渗流第一根流线，即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线）的长度。

应满足:渗径系数C值表粉砂细砂中砂粗砂中砾细砂粗砾夹卵石轻粉质砂壤土砂壤土壤土粘土有反滤层 9～13 7～9 5～7 4～5 3～4 2.5～3 7～11 5～9 3～5 2～3 无反滤层4～7 3～4图9-10 水闸地下轮廓及流网⒉防渗地下轮廓布置⑴布置原则：先阻后排，防渗与导渗相结合。

⑵防渗排水设施水平防渗→铺盖：粘土、粘壤土铺盖，砼、钢筋砼、沥青砼铺盖。

水平铺设土工膜 .垂直防渗→钢筋砼板桩, 砼防渗墙,灌注式水泥砂浆帷幕, 土工膜垂直防渗结构.高压喷射灌浆：定喷板墙导渗→排水反滤图9-11按直线法计算的闸基渗透压力图⑶不同情况下防渗布置①粘性土地基：降低渗透压力，增加闸身有效重量。

闸室上游宜设置水平钢筋砼或粘土铺盖，或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设滤层，下游排水可延伸到闸底板下。

图9-12 粘性土地基的地下轮廓线布置②砂性土地基：防止渗透变形→通过延长渗径来降低渗透流速和坡降，对降低渗透压力的要求较低。

砂层很厚→闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的形式，闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。

砂层较浅→闸室底板上游端设置截水槽或防渗墙（嵌入相对不透水层深度不应小于1.0m），闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。

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。