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坝基防渗与灌浆技术-排水孔口高程

时间:2023-11-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:在孔距、孔径、孔深及到上游面的距离都大体适当的情况下,影响排水效果的另一个因素,也是最主要的因素,是排水孔的孔口高程。它将保证能排除进入透水层的所有渗流量,并且使在孔的下游不再发生渗水压力。可以看出,在这些例子中,在排水孔中点上的渗水压力hm均不超过全水头hc的1.1%~2.2%。图4-22排水孔口高于尾水位的情况

坝基防渗与灌浆技术-排水孔口高程

在孔距、孔径、孔深及到上游面的距离都大体适当的情况下,影响排水效果的另一个因素,也是最主要的因素,是排水孔的孔口高程。许多坝的扬压力观测成果表明,排水孔的孔口高程越低,测得的扬压力越小;只有低于尾水位一定数值,才能达到“完全排水孔”的效果;再低,就会使排水孔后的测压水面线全部低于尾水位(即降压系数α为负值)。

对于不同设置高程的排水孔,可用马斯卡特(1937年)公式作一些数学分析。这里都是假定:在坝踵处有一条垂直的渗入面;坝基下有一厚度为D的透水层;设有一道深度穿过透水层、到渗入面距离为d、孔距为a、半径为γw的排水孔。有以下三种情况:

(1)排水孔口低于尾水位。对于此种情况,在排水孔上游任意点P0(x,y)处的水位下降值S,可用下式表示:

当符合条件时,hw/hc与hm/hc两比值可用下式表示:

单宽渗流量

每个孔的排水量qw

利用这些公式,对已知的或假定的hc、a、d、γw、D、K,可以计算hm、hw和qw

图4-20所示的水面线形式,为当d=a、排水孔口在尾水位以下(即hw)足够深时的情况。它将保证能排除进入透水层的所有渗流量,并且使在孔的下游不再发生渗水压力。如果a<d(通常是如此布置),则hw/hc与hm/hc两比值亦将变小。在图4-20的附表中所列数据,为对于hc=122m、d=152m时,采用不同孔距a、不同孔径2γw的计算结果。可以看出,在这些例子中,在排水孔中点上的渗水压力hm均不超过全水头hc的1.1%~2.2%。

图4-20 排水孔口低于尾水位足够深时渗水压力得到完全控制的情况

(a)剖面;(b)平面

图4-21 排水孔口与尾水位相齐平的情况

(2)排水孔口与尾水位齐平。这种情况,必然在排水孔后面残存一定程度的渗流量和渗水压力(图4-21)。根据在均匀比降下透水层的渗流量可与在图4-20中所示的解作数学叠加,来求解这种情况的渗流量和水压力。其计算方法与步骤如下:

已知或假定:h、a、d、b、γw、D、K;计算:υw

1)计算第一辅助量hc

2)计算水力坡降it及iw

3)计算排水孔轴线上的渗水压力uw:(www.xing528.com)

4)计算渗流量:

算例见表4-5。

表4-5 举 例

(3)排水孔口高于尾水位。此种情况,将在排水孔下游存在更大一些的渗流量和水压力(图4-22)。

已知或假定:ht、Δhw、d、a、b、rw、D、K;计算:υw、qw、qt

1)首先计算辅助量hc

2)计算水力坡降it及iw

3)计算排水孔轴线上的渗水压力υw

4)计算渗流量:

总渗流量:=KDiw

孔的渗流量:qw=KD(iw-it

下游渗流量:=KDit

从图4-20~图4-22中,清楚地看出,要想使坝基底面上的扬压力及岩体内的孔隙水压力得到更好地控制,必须尽量降低排水孔口的高度。孔口高程降得越低,在排水孔后面的扬压力也就越小;低于尾水位一定数值以后,不但由库水头引起的水压力(即渗水压力)已不复存在,就连由尾水引起的水压力(即通常所说的浮托力)也将被部分地削减。当然,此时,由排水孔排出的渗流已不能自由地流走,必须借助于集水坑和抽水设备抽排。这就要求必须有足够的抽水设备及可靠的动力保证其能正常工作。

我国已有许多大坝是采用了这种使排水孔口低于下游水位数米的所谓抽排降压措施。这是使这些坝的实测扬压力很小,通常比设计采用值更低的最基本原因。目前,已将这种设计方法正式纳入了我国的《混凝土重力坝设计规范》中。不过,它的主要着眼点是为了降低作用于坝基底面上的扬压力,而对作用于岩体中的孔隙水压力没有给予足够的重视。并且,它还规定:“对于坝基地质条件复杂(岩体极不均匀、可能发生水力管涌或化学性侵蚀、溶解作用等)的,不应采用抽排降压措施”。这些,都是值得研究的。有迹象表明,以往一些大坝的失事,大多正是由于在这些复杂岩体中的软弱结构面上扬压力太高引起滑动所致,而不是发生了管涌。要想有效地降低作用在软弱结构面上的扬压力,除了抽排降压措施之外,别无更好的途径。

图4-22 排水孔口高于尾水位的情况

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