南水北調(diào)中線焦作1段工程高填方渠道穩(wěn)定性分析

王文豐

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

京津華北平原的缺水屬于資源性缺水，僅靠節(jié)水和污水回用已不能解決水資源過度利用造成的一系列問題。實(shí)施南水北調(diào)中線工程，補(bǔ)充水資源供應(yīng)量，是實(shí)現(xiàn)南北水資源的合理配置、緩解京津華北平原水資源供需矛盾、支撐該地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[1]。

焦作1段工程是南水北調(diào)中線工程的組成部分，擔(dān)負(fù)著工程向焦作市以北河南省北部受水區(qū)及向京津冀輸水的供水任務(wù)。

1 研究背景

中線總干渠穿行于華北平原和山地之間的山前傾斜平原、崗地和丘陵，渠線西側(cè)由北向南依次有太行山、嵩山、箕山和伏牛山脈；東側(cè)有黃、淮、海平原和唐白河平原，高程在100 m以下[2]。

總體來說，總干渠沿線地形復(fù)雜，根據(jù)南水北調(diào)中線工程主管部門工作指示，組織對(duì)工程總干渠填方高度≥6 m的填方渠道樁號(hào)、長(zhǎng)度、渠堤填筑土料等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，總干渠填方高度≥6 m的填方渠道主要位于河南省境內(nèi)，其中又以焦作1段、淅川段等最為突出和關(guān)鍵。結(jié)合總干渠具有線路長(zhǎng)、高填方渠段多、地勢(shì)地形多變及運(yùn)行工況復(fù)雜的特點(diǎn)，為確保高填方段的高質(zhì)量運(yùn)行管理，并按工程主管部門有關(guān)工作安排，開展中線高填方渠段運(yùn)行管理專題研究，以期掌握高填方渠道運(yùn)行安全實(shí)際狀況。

鑒于篇幅，本文主要研究分析渠堤在水的滲流作用下的穩(wěn)定性。

2 基于有限元計(jì)算方法

滲流問題在水工結(jié)構(gòu)(如土石壩、渠道)的設(shè)計(jì)中具有十分重要的地位，極大地影響建筑物的安全與造價(jià)[3]。在目前的分析方法中，由于有限元方法能有效地處理復(fù)雜的邊界條件、材料的非均勻性、材料的各向異性，并能方便地求解三維問題，在工程設(shè)計(jì)中被廣泛使用。

ABAQUS/Standard提供的特殊滲流邊界條件功能，在ABAQUS/ Standard中按照非飽和土力學(xué)理論，將整個(gè)區(qū)域作為分析區(qū)域并基于固定網(wǎng)格求解，浸潤(rùn)面取為孔隙水壓力為零處，求解具有很大的方便性和較好的精度。通過專業(yè)的滲流計(jì)算模塊，定義滲流的典型邊界條件，包括水頭邊界條件、自由滲出段邊界、直接定義滲流速度、指定面上的法向滲流速度和定義點(diǎn)上的滲流速度[4]。

3 典型斷面研究

3.1 工程概況

焦作1段屬太行山山前沖洪積傾斜平原，覆蓋層由沖洪積物構(gòu)成，表層土以壤土、黏土、細(xì)砂及泥卵石為主，地下水埋深5～6 m。

焦作1段工程填高≥6 m的填方渠道累計(jì)長(zhǎng)度約7.12 km，填方高度6～9.6 m，全填方段起止樁號(hào)為Ⅳ38+426.6～Ⅳ41+311.9，一般上部1 m左右為雜填土，下部為素填土。

渠道設(shè)計(jì)流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。

選取的典型斷面渠底高程97.89 m，渠堤高程106.53 m，填方高度7.99 m。設(shè)計(jì)水位104.899 m，加大水位105.534 m。填方渠段采用混凝土襯砌以及復(fù)合土工膜(600 g/cm2)作為防滲材料。

3.2 計(jì)算模型

焦作1段典型斷面的有限元計(jì)算模型見圖1，并給出了模型整體有限元網(wǎng)格。

圖1 典型斷面有限元計(jì)算模型

渠道有限元計(jì)算模型中列出渠道及各層地基土層分布，并對(duì)渠道填土、各層地基土進(jìn)行組元分類，可實(shí)現(xiàn)程序計(jì)算自動(dòng)賦予滲透參數(shù)。模型中采用孔壓-位移耦合的CPE8RP單元，該單元是二維8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元。計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)不再詳細(xì)說明。

地基環(huán)向側(cè)面邊界條件取法向約束，根據(jù)有限元分析軟件提供的特殊邊界條件功能，分別定義滲流的典型邊界條件。

計(jì)算工況為渠道襯砌破壞，渠道內(nèi)水向渠堤外滲漏，計(jì)算渠堤堤身、堤基及背水坡滲流出逸段的滲透穩(wěn)定性。這種工況在工程上是偏于安全的。

3.3 結(jié)果分析

由于渠道結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，本文只作渠道左側(cè)渠堤的穩(wěn)定性分析。

3.3.1 設(shè)計(jì)水位工況

1) 滲流浸潤(rùn)線與渠坡逸出點(diǎn)。浸潤(rùn)線見圖2。由圖2中可知，浸潤(rùn)線位置相對(duì)不高，從渠內(nèi)到渠外呈斜線分布。渠段外側(cè)無水，浸潤(rùn)線在渠段內(nèi)臨水側(cè)水位為104.899 m，渠段背面逸出點(diǎn)均位于堤腳外側(cè)，渠段左側(cè)渠坡逸出點(diǎn)高度為0.3 m。

圖2 穩(wěn)定場(chǎng)分布(設(shè)計(jì)水位工況)

總體分析，渠段左側(cè)的逸出點(diǎn)高程較低。典型斷面在外坡腳的出逸高度很小，出逸段滲透比降為0.27。逸出段的計(jì)算滲透比降小于土的允許比降，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

2) 滲流穩(wěn)定性分析。圖3為滲流場(chǎng)流速的分布。渠底第一層為黃土狀重粉質(zhì)壤土，其滲透性相對(duì)于渠段回填土要大，這種情況下，水流流速在底層的連通性較好，水流的流速也較大。由圖3可知，滲流場(chǎng)流速除了在渠內(nèi)水位處較大外，就是在渠底第一層土內(nèi)和坡腳處最大。

圖3 流速場(chǎng)分布(設(shè)計(jì)水位工況)

設(shè)計(jì)水位下的渠道內(nèi)水頭等勢(shì)線分布見圖4，自上而下呈均勻分布，反映出渠道均質(zhì)的特點(diǎn)。

圖4 水頭等值線分布(設(shè)計(jì)水位工況)

3) 滲透量分析。設(shè)計(jì)水位下，渠底和坡腳的最大單寬滲流量為0.017 m3/d·m。滲漏量較小。

3.3.2 加大水位工況

1) 滲流浸潤(rùn)線與渠坡逸出點(diǎn)。浸潤(rùn)線見圖5，由圖5中可知，浸潤(rùn)線位置相對(duì)設(shè)計(jì)水頭下有所提高，但仍較低地平滑從渠內(nèi)到渠外呈斜線分布。渠段外側(cè)無水，浸潤(rùn)線在渠段內(nèi)臨水側(cè)水位為105.534于m，渠段背面逸出點(diǎn)均位于堤腳外側(cè)，渠段渠坡逸出點(diǎn)高度為0.7 m。

圖5 穩(wěn)定場(chǎng)分布(加大水位工況)

高程較設(shè)計(jì)水位時(shí)高出一倍以上。由典型斷面在外坡腳的出逸高度計(jì)算滲透比降，出逸段滲透比降為0.31。逸出段的計(jì)算滲透比降小于土的允許比降，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

2) 滲流穩(wěn)定性分析。圖6為加大流量工況下滲流場(chǎng)流速的分布。渠道和土層的整體滲流流速矢量與設(shè)計(jì)水位工況相似，僅在水位上升后，其渠內(nèi)流速最大點(diǎn)有所升高。原因是渠底第一層黃土狀重粉質(zhì)壤土相比渠段回填土滲透性要大，水流在底層連通性較好，流速較大。由圖6可知，滲流場(chǎng)流速除了在渠內(nèi)水位處較大外，就是在渠底第一層土內(nèi)和坡腳處最大。

圖6 流速場(chǎng)分布(加大水位工況)

設(shè)計(jì)水位下的渠道內(nèi)水頭等勢(shì)線分布(圖7)也略有升高，自上而下呈均勻分布，反映了渠道均質(zhì)的特點(diǎn)。

圖7 水頭等值線分布(加大水位工況)

3) 滲透量分析。加大水位下，渠底和坡腳的最大單寬滲流量為0.019 m3/d·m。滲漏量較小。加大水位后，雖然提高了浸潤(rùn)線，加大了滲透比降，但由于初始的滲流量較小，在坡腳的滲漏量增加也較小。

4 結(jié) 語

通過對(duì)運(yùn)行期高填方渠段的典型斷面進(jìn)行滲流場(chǎng)計(jì)算分析，可以認(rèn)為，在設(shè)計(jì)流量和加大流量的正常運(yùn)行工況下，浸潤(rùn)線位置不高，逸出點(diǎn)高程較低，滲流量較小。在外坡腳的出逸高度一般為零或者很小，出逸段的計(jì)算滲透比降小于土的允許比降，外坡腳出逸段的滲透比降也小于土的允許比降。

考慮到南水北調(diào)中線工程至今已建成通水5年有余，高填方段渠堤在建成后長(zhǎng)期運(yùn)行情況下，外坡腳可能會(huì)出現(xiàn)軟化或破壞，建議對(duì)外坡腳設(shè)置排水及防護(hù)措施。