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【摘 要】 水闸渗流是水在压力坡降作用下穿过土中连续空隙发生流动的现象。本文通过水闸渗流的影响及计算方法来曲面探讨。
【关键词】 影响;全截面直线分布法;流网法;渗流;闸基
引言：
上游的水压力是水工建筑物要承受的主要荷载之一，而且地基和混凝土也不是完全不透水的材料，在水头的长期作用下，水即将会通过地基和坝体向下游流去，因此，在地基内和闸坝体内有一个渗流场的存在。渗流分析给合理的选择渗流控制方法和对闸坝工程的安全可靠性的评价提供一定的根据，水闸闸基渗流为剖面的平面渗流运动，既有水平的分速度，同时也有垂直的分速度，可以近似的看做为二维流。
闸基渗流经常用到的计算方法包括有限元法、流网法、直线比例法（渗径系数法）、电网络法[1，2]和改进阻力系数法。改进阻力系数法[3，4]为分段法，把地基渗流沿着地下轮廓线划分成水平的和垂直的几个段，进行单独的解决。把各分段的阻力系数计算出来，再进一步把渗透流速、渗透压力、渗透坡降及渗流量求出。这是一种近似的流体力学的解法，有较高的计算精度，对计算复杂的地下轮廓的渗流量也同样有很大的的现实意义，在国内外已经得到广泛的运用，水闸设计规范计算闸基渗流就是运用了这种方法。把求解的渗流区域划分为有限个互相联系的子区域的方法就是有限单元法，它用子区域内连续的分区近似水头函数来代替待定的水头函数。随着计算机的发展，其应用于数值计算的有限元法也得到了快速的发展，可以很好的把条件复杂的渗流问题模拟出来。现在，有很多有限元软件都可以用来计算渗流，包括GEO-SLOPE、MARC、SEEPAGE、ANSYS、ADINA、FLAC、ABQUS等。
一、滲透与渗透影响
（一）渗透
渗透是水在压力坡降作用下穿过土中连续空隙发生流动的现象。
水利工程中渗流计算的研究对象为岩土，土是具有连续空隙的介质，水在重力作用下可以穿过土的空隙发生运动。土的渗透性主要研究在重力势能作用下，土空隙中的水的流动过程及其规律性。
（二）渗透的影响
1、渗漏损失。无论什么土体，只要满足渗透条件，就必然会发生渗透现象，引起渗漏水量的损失，对蓄水建筑物和输水建筑物来讲，水的渗漏现象必然影响经济效益。
2、渗透稳定。包括两个方面的稳定问题。一方面水在土体内渗透，可以引起土体内部应力状态的改变，从而引起土体内部原有的稳定条件发生变化，可能造成渗透破坏。另一方面，水的渗透会对接触的建筑物产生渗透压力，改变建筑物的稳定条件，影响建筑物的稳定。
3、其他影响：由于土体的渗透性和渗透性强弱影响，对土体的固结、强度发展及工程施工都有很重要的影响。
前两个影响的内容，是我们在工程设计中需要计算的，当然在具体工程中，会根据实际需要选择性的进行计算。其他影响是我们在工程设计中需要注意和考虑的，因为它可能影响我们的设计方案。
二、渗流计算的主要方法
依据《水闸设计规范》，岩基上水闸基底压力计算可采用全截面直线分布法。土基上水闸基底渗透压力计算可采用改进组里系数法或流网法：复杂土质地基上的重要水闸，应采用数值计算法。在工程规划和可行性研究阶段，初步拟定的闸基防渗长度时，可采用直线比例法。
（一）全截面直线分布法
适用于地基条件为岩基时，计算方法较简单。当闸基设置帷幕、排水孔是，关键是确定渗透压力强度系数。
（二）流网法
流网图由流线与等势线两组正交曲线组成，可直接手绘得到，也可以通过实验或图解来完成，较为简单，又有足够的精度。但在我们目前的实际工程设计中，不方便，所以没应用。
（三）直线比例法
此方法是假定渗流沿地下轮廓流动时，水头损失沿程按直线变化求地下轮廓各点的渗透压力。直线比例法有勃莱法和莱茵法两种。
（四）数值计算法
数值计算法主要是基于拉普拉斯方程的有限元法，具体计算需借助计算机和专业软件才能完成。
（五）改进阻力系数法
改进阻力系数法是在独立函数法、分段法和阻力系数法等方法的基础上综合发展起来的一种精度较高的近似计算法。因该方法简单易懂，计算方便，精度较高，所以在实际工程设计中得到广泛应用。
三、闸基渗流的主要危害
1.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;
2.由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形;
3.严重的渗漏将造成大量的水量损失;
4.渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。
四、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。
（一）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）防渗地下轮廓布置
1、布置原则：先阻后排，防渗与导渗相结合。
2、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
3、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。 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。
③粉细砂地基（或粉土、轻砂壤土、轻粉质砂壤土）：
闸室上游宜采用铺盖和垂直防渗体相结合的布置形式。
在地震区的粉细砂地基上，有震动液化问题，宜采用封闭式布置（闸室底板下布置的垂直防渗體宜构成四周封闭的形式），垂直防渗体的长度应超过粉砂地基液化深度。
④特殊地基：弱透水地基下有透水层，地基为不同性质冲积层，KH>>KV。
→闸室下游设置铅直排水，并防止淤堵。
⑤双向水头作用
→合理地进行双向布置形式，并以水位差较大的一向为主。
*规范规定：
1.铺盖长度采用上、下游最大水头差的3～5倍;
2.砼或钢筋砼铺盖的厚度，一般根据构造要求确定，最小厚度不宜小于0.4m，一般作成等厚;为了减小地基不均匀沉降和温度变化的影响，通常设顺水流向的永久缝，缝距可采用8～20m。
3.粘土或壤土铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，为了保证铺盖碾压施工质量，粘土或壤土铺盖前端最小厚度不宜小于0.6m，铺盖与底板之间应设油毛毡止水，铺盖上面应设保护层。
参考文献：
[1]杜延龄，许国安.渗流分析的有限元和电网络法[M].北京：水利电力出版社，1991：167-168.
[2]水闸设计[M].北京：水利电力出版社，1986：110-120.
[3]毛昶熙，周保中.闸坝地基渗流计算的改进阻力系数法[J].水利学报，1980，（5）.
[4]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：水利电力出版社，1988.
[5]嘉木工作室编.ANSYS57.0有限元实例分析教程[M].北京：机械工业出版社，2002.
[6]张世儒，高逸士，夏维城.水闸[M].北京：水利出版社，1980：103-112.
[7]张洪剂.热传导[M].北京：高等教育出版社，1992：150-197.作者简介：顾小芳（1981-），女，工程师，从事水利规划及结构设计。
[8]刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002：348-349.
【关键词】 影响;全截面直线分布法;流网法;渗流;闸基
引言：
上游的水压力是水工建筑物要承受的主要荷载之一，而且地基和混凝土也不是完全不透水的材料，在水头的长期作用下，水即将会通过地基和坝体向下游流去，因此，在地基内和闸坝体内有一个渗流场的存在。渗流分析给合理的选择渗流控制方法和对闸坝工程的安全可靠性的评价提供一定的根据，水闸闸基渗流为剖面的平面渗流运动，既有水平的分速度，同时也有垂直的分速度，可以近似的看做为二维流。
闸基渗流经常用到的计算方法包括有限元法、流网法、直线比例法（渗径系数法）、电网络法[1，2]和改进阻力系数法。改进阻力系数法[3，4]为分段法，把地基渗流沿着地下轮廓线划分成水平的和垂直的几个段，进行单独的解决。把各分段的阻力系数计算出来，再进一步把渗透流速、渗透压力、渗透坡降及渗流量求出。这是一种近似的流体力学的解法，有较高的计算精度，对计算复杂的地下轮廓的渗流量也同样有很大的的现实意义，在国内外已经得到广泛的运用，水闸设计规范计算闸基渗流就是运用了这种方法。把求解的渗流区域划分为有限个互相联系的子区域的方法就是有限单元法，它用子区域内连续的分区近似水头函数来代替待定的水头函数。随着计算机的发展，其应用于数值计算的有限元法也得到了快速的发展，可以很好的把条件复杂的渗流问题模拟出来。现在，有很多有限元软件都可以用来计算渗流，包括GEO-SLOPE、MARC、SEEPAGE、ANSYS、ADINA、FLAC、ABQUS等。
一、滲透与渗透影响
（一）渗透
渗透是水在压力坡降作用下穿过土中连续空隙发生流动的现象。
水利工程中渗流计算的研究对象为岩土，土是具有连续空隙的介质，水在重力作用下可以穿过土的空隙发生运动。土的渗透性主要研究在重力势能作用下，土空隙中的水的流动过程及其规律性。
（二）渗透的影响
1、渗漏损失。无论什么土体，只要满足渗透条件，就必然会发生渗透现象，引起渗漏水量的损失，对蓄水建筑物和输水建筑物来讲，水的渗漏现象必然影响经济效益。
2、渗透稳定。包括两个方面的稳定问题。一方面水在土体内渗透，可以引起土体内部应力状态的改变，从而引起土体内部原有的稳定条件发生变化，可能造成渗透破坏。另一方面，水的渗透会对接触的建筑物产生渗透压力，改变建筑物的稳定条件，影响建筑物的稳定。
3、其他影响：由于土体的渗透性和渗透性强弱影响，对土体的固结、强度发展及工程施工都有很重要的影响。
前两个影响的内容，是我们在工程设计中需要计算的，当然在具体工程中，会根据实际需要选择性的进行计算。其他影响是我们在工程设计中需要注意和考虑的，因为它可能影响我们的设计方案。
二、渗流计算的主要方法
依据《水闸设计规范》，岩基上水闸基底压力计算可采用全截面直线分布法。土基上水闸基底渗透压力计算可采用改进组里系数法或流网法：复杂土质地基上的重要水闸，应采用数值计算法。在工程规划和可行性研究阶段，初步拟定的闸基防渗长度时，可采用直线比例法。
（一）全截面直线分布法
适用于地基条件为岩基时，计算方法较简单。当闸基设置帷幕、排水孔是，关键是确定渗透压力强度系数。
（二）流网法
流网图由流线与等势线两组正交曲线组成，可直接手绘得到，也可以通过实验或图解来完成，较为简单，又有足够的精度。但在我们目前的实际工程设计中，不方便，所以没应用。
（三）直线比例法
此方法是假定渗流沿地下轮廓流动时，水头损失沿程按直线变化求地下轮廓各点的渗透压力。直线比例法有勃莱法和莱茵法两种。
（四）数值计算法
数值计算法主要是基于拉普拉斯方程的有限元法，具体计算需借助计算机和专业软件才能完成。
（五）改进阻力系数法
改进阻力系数法是在独立函数法、分段法和阻力系数法等方法的基础上综合发展起来的一种精度较高的近似计算法。因该方法简单易懂，计算方便，精度较高，所以在实际工程设计中得到广泛应用。
三、闸基渗流的主要危害
1.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;
2.由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形;
3.严重的渗漏将造成大量的水量损失;
4.渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。
四、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。
（一）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）防渗地下轮廓布置
1、布置原则：先阻后排，防渗与导渗相结合。
2、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
3、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。 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。
③粉细砂地基（或粉土、轻砂壤土、轻粉质砂壤土）：
闸室上游宜采用铺盖和垂直防渗体相结合的布置形式。
在地震区的粉细砂地基上，有震动液化问题，宜采用封闭式布置（闸室底板下布置的垂直防渗體宜构成四周封闭的形式），垂直防渗体的长度应超过粉砂地基液化深度。
④特殊地基：弱透水地基下有透水层，地基为不同性质冲积层，KH>>KV。
→闸室下游设置铅直排水，并防止淤堵。
⑤双向水头作用
→合理地进行双向布置形式，并以水位差较大的一向为主。
*规范规定：
1.铺盖长度采用上、下游最大水头差的3～5倍;
2.砼或钢筋砼铺盖的厚度，一般根据构造要求确定，最小厚度不宜小于0.4m，一般作成等厚;为了减小地基不均匀沉降和温度变化的影响，通常设顺水流向的永久缝，缝距可采用8～20m。
3.粘土或壤土铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，为了保证铺盖碾压施工质量，粘土或壤土铺盖前端最小厚度不宜小于0.6m，铺盖与底板之间应设油毛毡止水，铺盖上面应设保护层。
参考文献：
[1]杜延龄，许国安.渗流分析的有限元和电网络法[M].北京：水利电力出版社，1991：167-168.
[2]水闸设计[M].北京：水利电力出版社，1986：110-120.
[3]毛昶熙，周保中.闸坝地基渗流计算的改进阻力系数法[J].水利学报，1980，（5）.
[4]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：水利电力出版社，1988.
[5]嘉木工作室编.ANSYS57.0有限元实例分析教程[M].北京：机械工业出版社，2002.
[6]张世儒，高逸士，夏维城.水闸[M].北京：水利出版社，1980：103-112.
[7]张洪剂.热传导[M].北京：高等教育出版社，1992：150-197.作者简介：顾小芳（1981-），女，工程师，从事水利规划及结构设计。
[8]刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002：348-349.