南水北调中线干线工程南沙河强透水地基渠段渗透压力数值模拟研究
许国锋
（南水北调中线干线工程建设管理局河北直管项目建设管理部，石家庄 050035）
作者简介：许国锋 （1980-），工程师，河北省井陉县，主要从事水利水电工程方面的研究。
摘要：南沙河中间明渠为南水北调工程中典型的高地下水强透水地基渠段，通过三维有限元数值模拟技术初步研究了该渠段的渗透压力分布情况，总结了渠底、渠坡在设置排水孔情况下渗透压力的变化规律，并提出了在这类渠道设计中应重点注意的问题。该研究成果对于高地下水强透水层渠道设计具有借鉴意义和参考价值。
关键词：南水北调 明渠 渗透压力 排水孔 数值模拟
1 前言
南水北调中线干线工程南沙河中间明渠段长2030m，地处河心高漫滩部位，地质结构为上粗下细双层结构，上部以卵石为主，总厚度9～12m；下部为Q1壤土、中砂夹黏土、砂壤土、粉砂透镜体，厚度大于10m。卵石层渗透系数为5.64×10-2～6.84×10-2cm/s，为强透水层。下部黏性土层渗透系数为3.48×10-8～2.8×10-9cm/s，为相对隔水层。地面高程91.5m左右，地下水高程89.9～91.2m，渠道底高程80.19～80.11m。渠内水深6.0m，最大挖深约11m。中间明渠有长1140m的渠段置于卵石层，有长890m的渠段位于相对隔水层，渠坡地质条件绝大部分为卵石。
高地下水、强透水地基的条件对渠道衬砌设计来说是个严峻的考验，尤其是在渠道无水时地下水对渠道衬砌的渗透压力非常大，严重影响渠道的正常运行。鉴于此，2009年6月国务院南水北调工程建设委员会专家委员会在北京召开了南水北调中线干线河滩卵石地基处理方案技术咨询会，提出了在强透水地基渠段增加压重措施，结合排水，以满足抗浮稳定的要求。
本着“压重结合排水”的指导思想，本文在南沙河中间明渠内排水的基础上进行渠基渗透压力分布研究，以求得该类渠段渗透压力分布情况及变化规律，从而对该类型渠道设计提供依据和参考。
2 渠道基本情况
南沙河中间明渠位于河北省邢台市桥西区和沙河市交界处南沙河江心洲滩地上，始末端分别接南沙河南、北段倒虹吸。该渠道桩号为94+921～96+951，总长2030m，纵坡1/25000。渠底高程为80.191～80.110m，底宽21m，渠坡坡比为1∶2.5；一级马道高程为87.541～87.460m，宽5m，一级马道坡比为1∶2；二级马道高程为90.7m，宽15m，二级马道坡比为1∶2。设计流量为230m3/s，设计水深为6.0m。
渠道渠底、渠坡均设置逆止阀排水孔，渠底设置3排，渠坡设置4排，排水孔顺水流方向间距4m。渠道排水孔布置见图1。
图1 渠道排水孔布置图
3 模型建立
3.1 控制方程
假定水是不可压缩流体，土体为不变形多孔介质，渗透系数为饱和土渗透系数。
（1）运动方程
（2）连续方程
（3）稳定渗流微分方程
式中：h为地下水总水头，m；kx、ky、kz为大在x、y、z方向的渗透系数，m/d；vx、vy、vz为地下水在x、y、z方向的流速，m/s。
3.2 计算模型
本次计算选取部分渠道作为计算模型，模型范围尺寸为顺水流方向28m，垂直水流方向721m，竖直向23m。计算方法采用三维空间稳定渗流有限元法，基本单元为六面体单元。计算模型见图2。
图2 渠道渗流计算有限元模型
边界条件根据实际情况特点分为三种边界。
（1）排水孔边界。排水孔的模拟采用节点水位法，即在渠道排水孔位置相应的有限元节点处给定水位边界，即渠道设计水位时为渠道水位；渠道无水时为渗流边界。
（2）渠道衬砌边界。渠道衬砌为不透水边界，即隔水边界。
（3）地下水边界。在渠道地下水影响半径范围之外给定地下水水位边界。
3.3 计算参数
砂卵石地层渗透系数取59.1m/d，远场地下水水位取91.2m。
根据渠底强透水层厚度情况选取渠底砂卵石厚度为7m、5m、3m、1m和相对隔水层等5个典型断面进行三维渗流计算。
每种断面计算工况分为两种，即渠道设计水位工况（渠道水深6m）和渠道无水工况。
4 计算结果
4.1 计算浸润面结果
渠道的设计、无水和排水孔附近三种情况的浸润面结果如图3、图4和图5所示。
图3 渠道设计水位三维浸润面典型图
图4 渠道无水三维浸润面典型图
图5 排水孔附近三维浸润面放大图
4.2 计算渗透压力结果
计算结果取值点见图6。
图6 计算模型取值点坐标
计算结果见表1及图7～图10。
表1 不同断面渗透压力计算结果
图7 渠底不同透水层厚度设计水位渠底渗透压力
图8 渠底不同透水层厚度设计水位渠坡渗透压力
图9 渠底不同透水层厚度渠道无水渠底渗透压力
图10 渠底不同透水层厚度渠道无水渠坡渗透压力
5 计算结果分析
渠内设计水位时，从图7、图8可以看出，渠道衬砌渗透压力随着渠底透水层厚度的增大而增大。并且，在渠底、渠坡均设置排水孔的情况下，渠底渗透压力从渠道中心线向两侧递增，渠底增加的趋势基本一致，都很平缓；渠坡渗透压力增加的趋势均陡于渠底。在渠道水位以下渠底透水层厚度越小，渠坡渗透压力增加的速度越大，渠底为相对隔水层的渠段增加的速度最大，不同断面在渠内水位附近渠坡渗透压力均达到最大值，渠道水位以上渗透压力骤然下降，下降速度基本一致，直到渗透压力降为零。
渠内无水时，从图9、图10可以看出，渠道衬砌渗透压力随着渠底透水层厚度的增大而增大。并且在渠底、渠坡均设置排水孔的情况下，渠底渗透压力从中心线向两侧递增，渠底透水层厚度越小，渗透压力增加的速度越大，在渠道两端坡脚渗透压力达到最大值。渠坡渗透压力从最大值开始下降，下降速度随着渠底透水层厚度的减小而增大，直到降为零。
6 结论
本文通过三维有限元数值模拟技术研究了高地下水渠道设排水孔后渗透压力的分布情况。当渠道渠基地层比较复杂、透水层厚度变化较大时，渠底渗透压力计算应当以透水层厚度最大的渠段作为计算段，渠坡渗透压力计算应当以透水层厚度最小的渠段作为计算段。并且在渠道衬砌设计中应重点注意坡脚和水位波动处的衬砌设计，要考虑在这两个部位加密排水孔布置，以降低渗透压力；或者增大该处的衬砌厚度，以抵抗渗透压力。
该研究成果对于高地下水强透水层渠道设计具有借鉴意义和参考价值。
参考文献
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