南水北调中线挖方渠段渗控措施优化研究

， ，家发，

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2. 国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉 430010; 3.长江勘测规划设计研究院，武汉 4300102)

南水北调中线挖方渠段渗控措施优化研究

崔皓东1,2，张伟1,2，张家发1,2，吴德绪3

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2. 国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉 430010; 3.长江勘测规划设计研究院，武汉 4300102)

2017,34(12):68-72

南水北调中线工程中渗流调控是保障渠坡及衬砌板稳定的关键。为全面分析高地下水地区挖方渠段渗流调控措施合理性及优化的效果，针对典型渠段建立渗流模型，通过三维有限元数值模拟，研究渠道渗流场分布规律,比较不同措施的调控效果。结果表明：排水垫层结合逆止阀、排水板结合逆止阀、排水板结合衬砌板透水缝等3种排水措施都能有效降低渠底衬砌板下扬压力。最后比较了上述3种措施的差别，讨论了应用条件，提出了相应的建议，对类似工程有借鉴意义。

南水北调中线工程；挖方渠段；排水垫层；压力水头；渗控优化；数值模拟

1 研究背景

南水北调中线工程是缓解京、津、华北地区资源性缺水的特大型跨流域调水工程，主要为沿线城市供水，兼顾农业和生态，一期工程年调水量约95亿m3。总干渠工程在复杂水文气候和地下水条件下运行，渠道水位也随着输水调度而变动，而且要经历检修工况，有效的渗流调控是保障工程安全及其有效运行的关键[1]。在高地下水位地区的挖方渠段，渗流调控的目标包括渠坡和衬砌板稳定性。挖方段初步设计中，在渠道衬砌层下面设置土工膜及排水砂垫层结合渠底逆止阀，有的辅以渠坡排水孔进行渗流调控，针对膨胀土段采用换土垫层来置换沿渠坡膨胀土。该思路在大多数条件下都是适用和有效的[2-3]，但在挖方渠段坡面上铺设垫层时，存在垫层材料造价较高、垫层厚度难以严格控制、施工进度慢等诸多不利因素。

鉴于此，在系列研究[2-3]基础上,本文针对高地下水膨胀土挖方渠段地层特点，选取南水北调中线总干渠河南省淅川县某典型渠段建立三维渗流模型，采用渠坡人字形和渠底井字形排水板代替砂垫层，或者进一步取消土工膜和逆止阀而直接采用透水缝衬砌板，利用渗流精细求解技术[4-5]对渗流场深入分析，对排水结构型式做进一步优化研究，在满足工程安全前提下，进一步提高渗流调控措施的经济适用性。

2 深挖方渠道渗流求解基本方法简介

在深挖方渠道渗流计算中，主要涉及渗流自由面、逆止阀的精细求解等方法，简述如下。

2.1 基于固定网格的渗流自由面求解

渗流自由面精确高效求解是渗流场模拟的关键，文献[4]将基于固定网格的结点虚流量法改进，使自由面求解精度和收敛性优势更明显，能满足岩土工程复杂渗流场的求解要求[6]，具体理论详见文献[4]和文献[5]。

2.2 逆止阀模拟方法

本渠段排水孔沿渠坡纵向密集分布并且渠底布置有大量逆止阀，逆止阀属于顶口装有开关的排水孔，当孔内有水压时开关自动开启实现排水减压，这需要理论和算法上均严密的模拟技术来求解其渗流行为；另外，各方案中逆止阀是否失效也需要在算法上给予正确处理。逆止阀实质上也是渗流计算域的边界，因此，从精细模拟的角度，等效算法在理论上是不够严密甚至是错误的。文献[7]将排水孔分为逸流型和溢流型2类，逆止阀即属于溢流型排水孔。为甄别逆止阀在计算域中是否失效，根据“等效节点流量法”[8]在每个孔顶口处虚构一个数学开关器K，这样就可以从理论上解决逆止阀功能的甄别问题[5]，其数学表述为

(1)

排水孔的具体求解及验证见文献[5]。本文渠道渗流计算中，逆止阀的处理即采用了该方法。

以上述理论方法为基础的长江科学院大型渗流分析软件SFA1．0(Seepage Field Analysis，Version 1.0)的SSC-3D(Saturated Seepage Comprehensive analysis 3D)模块[9]，可以实现本项目渗流计算及前后处理的可视化。

图1 某典型渠段剖面示意图

3 南水北调中线挖方渠段渗控优化分析

3.1 工程概况

南水北调中线总干渠河南淅川某典型挖方渠段属高地下水位膨胀土渠段，初步设计阶段普遍采用衬砌板结合土工膜防渗，渠底布置逆止阀排水的渗流调控措施，典型断面见图1。将初步设计方案、排水板代替排水砂垫层(比较方案1)，以及取消复合土工膜和逆止阀，并采用衬砌板透水缝结合排水板(比较方案2)作为对比研究措施。根据地勘资料(见图1)，模型所在地层主要由粉质黏土构成，局部有钙质结核，渗透性随深度不同有所变化，计算参数见表1。

3.2 研究方案与模型建立

3.2.1 对比研究方案

初步设计的调控措施中，采用混凝土衬砌板下的土工膜防渗，防渗层下砂砾石垫层厚度为25 cm，渠底均匀布置平行于渠轴线的3列逆止阀，逆止阀间距10 m，沿渠道中心和坡脚纵向布置，砂砾石垫层下设置换土垫层(一级马道以下厚150 cm，一级马道以上厚100 cm)，在154.718 m和172.718 m高程处分别设置底部排水的渠坡排水井，井内径1.5 m，二级马道上井间距10 m(本文简称底排排水井)，最上面一级马道集水井间距为20 m。

表1 典型渠段渗透系数

比较方案1采用渠底井字形及渠坡人字形排水板代替砂垫层(模型如图2(a))；比较方案2取消土工膜和逆止阀，衬砌板透水缝下设置排水板，透水缝间距4 m×4 m (模拟缝宽20 cm，见图2(b))。共设定8个研究方案，详见表2，其中包括运行期和检修期，以及排水板渗透性的对比方案。

图2 人字形排水板和透水缝模型

方案方案说明备注F1渠道水位为146．938m；逆止阀间距10m；排水垫层渗透系数1．0×10-3cm/s、厚25cm，其余参数见表1初步设计方案、运行期F2渠道水位取138．938m，其余同F1初步设计方案、检修期F3渠底井字型及渠坡人字型排水板间距4m且渗透系数为1．0×10-1cm/s，其余同F1比较方案1、运行期F4渠道水位取138．938m，其余同F3比较方案1、检修期F5排水板渗透系数取1．0×10-2cm/s，其余同F4比较方案1、检修期F6取消土工膜和逆止阀，衬砌透水缝间距4m×4m且缝下设置排水板，取缝渗透系数为1．0×10-1cm/s，其余同F1比较方案2、运行期F7渠道水位取138．938m，其余同F6比较方案2、检修期F8透水缝渗透系数取1．0×10-2cm/s，其余同F7比较方案2、检修期

3.2.2 模型建立

计算区域取渠道中心线一侧建模，模型上游边界范围的合理确定受地层渗透影响较大，类似渠段边界取值参考文献[10]成果，上游边界与坡顶的距离取600 m，上游水位取地表高程181.6 m，下游设计水位146.938 m，检修期下游水位取138.938 m；模型底部隔水边界至90 m高程。

模型两侧对称面及底部均取为隔水边界，开挖渠坡为可能出渗面边界；逆止阀和渠坡排水孔按文献[5]处理。采用6面体8节点等参单元剖分网格，逆止阀按实际尺寸剖分，方案F1模型总体结点数为77 126，单元数为70 817，其他方案稍有差别。F1方案网格见图3。

图3 三维有限元网格

3.3 计算成果分析及比较

本文主要通过运行期及检修期不同工况条件下渗流场水头分布及渠底衬砌板下最大压力水头值来分析渗流调控效果。文中水头等值线图对应于相邻逆止阀之间的对称剖面；渠底最大压力水头为衬砌板下通过搜索获取的最大值，压力水头差为统计点压力水头与渠水深的差值。

3.3.1 初步设计措施调控效果

图4为方案F1和方案F2水头等值线计算结果。由图4可知，初步设计措施条件下水头等值线分布反映了边界条件及调控措施的效果。

图4 方案F1和方案F2水头等值线

方案F1对应于初步设计措施运行工况，由图4(a)可知在运行期底排排水井对渗流场分布稍有影响，自由面靠近一级平台坡脚，渠底衬砌板附近水头等值线也较稀疏，渠底衬砌板下压力水头较低，渠底板最大压力水头差为0.10 m(表3)，有利于衬砌板的稳定。由图4(b)可知，检修期方案F2出逸点在渠坡脚处，渠坡2排井均在自由面以下，渠底最大压力水头差有所增加，最大压力水头差为0.15 m，基本能满足衬砌板稳定的要求[2]。综上可知，初步设计设计的调控措施对于该断面是合理的。

表3 各方案最大压力水头差

3.3.2 比较方案1调控效果

排水板代替砂垫层作为第1种比较方案，采用人字型排水板代替初设措施中的砂垫层时，运行期(方案F3)渠底水头等势线值较稀疏，渗流场分布类似初步设计方案图4(a)，底排排水井对渗流场有一定影响，渠底板最大压力水头差为0.05 m，上层排水井同样处于不排水状态。方案F4和F5同为检修期，只是排水板渗透系数相差10倍，两者水头等值线分布规律较为类似(图5)，方案F5渗流场水头等值线分布与方案F4类似，限于篇幅，将类似方案等值线图省略。渠底最大压力水头差在方案F4中为0.11 m，方案F5中为0.16 m，衬砌板基本稳定。可见，人字型排水板代替砂垫层的措施也是有效的，而且相对更经济和易于施工。

图5 方案F4水头等值线

3.3.3 比较方案2调控效果

作为第2种比较方案，取消初步设计措施中的土工膜和逆止阀，衬砌板分缝为透水缝，缝下设置排水板，对透水缝采用渗透系数为1.0×10-1cm/s的材料进行模拟。运行期(方案F6)渠底水头等值线与方案F3类似，相应该部位有较小的压力水头差，最大压力水头差为0.04 m。检修工况下，方案F7和F8水头等值线分布规律与比较方案1检修期较为类似。方案F7中，渠底板最大压力水头差为0.10 m，可见透水衬砌更有利于衬砌板稳定。但与比较方案1类似，当排水板渗透性降低时，渠底最大压力水头差增加稍大，达到0.2 m(方案F8)，可能对衬砌板稳定不利。

3.3.4 膨胀土挖方渠段渠坡排水井的作用分析

从前述分析可以看出，本渠段渠坡排水井对渗流场的影响有限，在检修期甚至没有影响，但本段渠道挖深达40 m，且处于透水性较小的膨胀土区域，边坡稳定性极易受地下水影响[11]。另外，本文渗流分析未考虑降雨入渗影响，在工程长期运行过程中该区域地下水变化或降雨条件下，势必影响渠坡的稳定性；鉴于此，尽管当前计算表明渠坡排水井作用不明显，但其取舍应综合考虑降雨入渗和坡体局部饱和带的长期影响。

4 调控措施效果比较

上述研究成果表明，检修期是渠底衬砌板稳定的控制性工况，初步设计措施条件下，其最大压力水头差为0.15 m；当排水板渗透系数为1.0×10-1cm/s时，其水头差在比较方案1条件下降至0.11 m，在比较方案2条件下降低至0.10 m。由此可见，人字形排水板可以起到很好的排水作用，另外的优势是成本低、施工方便。优化措施2中取消了逆止阀和土工膜，可以进一步降低建设成本，减少施工工序，但其前提条件是地下水位高于渠道水位，否则将会产生渗漏。衬砌板透水缝存在因淤积堵塞而降低排水作用的可能性，这与逆止阀长期有效性问题相类似，有赖于通过加强工程维护去解决。

5 结 论

(1) 初步设计方案和2种比较方案均具有明显的渗流调控效果，能够保证衬砌板的稳定。无论是通过逆止阀，还是通过衬砌板透水缝排水，都可实现自流排水和渗流场的自行调控。

(2) 人字形排水板替代排水砂垫层后，不仅可以降低成本，方便施工，降低质量控制难度，甚至可以提高渗流调控效果。但是排水板材料的渗透性是必须严格控制的质量指标，并且在长期运行中应避免淤堵。

(3) 取消逆止阀和土工膜的同时，将衬砌板分缝作为排水途径，也可以达到渗流调控目标，并可进一步降低建设成本，减少施工工序，但其应用条件是地下水位高于渠道水位，且需要通过有效的维护避免因淤积堵塞而降低排水作用的可能性。

(4) 在高地下水膨胀土深挖方渠段，渠坡排水井应综合考虑降雨入渗和坡体局部饱和带对渠坡稳定性的影响而设置。

(5) 南水北调中线渠首至鲁山段，大部分深挖方渠段采用人字形排水板措施，目前工程已运行近3 a，渠道运行状况良好，也表明其排水减压效果显著，是渠道安全运行的重要保障。

[1] 张家发，林水生，吴德绪，等. 论土石围堰和基坑渗流场调控[J]. 长江科学院院报，2013，30(2):20-26.

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Optimizing the Drainage System of Excavation Canal ofthe Middle Route Project of South-to-North WaterTransfer in Expansive Soil Area

CUI Hao-dong1, 2，ZHANG Wei1, 2， ZHANG Jia-fa1, 2，WU De-xu3

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2.National Research Center on Engineering Technology of Dam Safety,Wuhan 430010, China; 3.Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, China)

Seepage field regulation is crucial for the stability of canal slope and liner plate along the middle route of the South-to-North Water Transfer Project, especially for stretches excavated in expensive soil area with high groundwater level. In this article, the seepage field of a typical section was simulated with 3-D finite element technology to investigate into the rationality and effectiveness of seepage regulation measures comprehensively. The distribution of seepage field was analyzed and the seepage control measures were compared. Results show that the uplift pressure on canal pavement would be reduced significantly by drainage cushion with drainage holes opening only when groundwater level is higher than the canal water level, by drainage cushion replaced by drainage board, and by drainage holes replaced with permeable joints of liner plate in addition. The differences in the three measures were compared, and their application conditions were discussed and corresponding suggestions were given.

middle route project of South-to-North Water Transfer; excavation canals; drainage cushion; water pressure head; seepage field regulations; numerical simulation

2016-12-28；

2017-03-17

国家重点研发计划项目(2017YFC0405001)；国家自然科学基金项目(41402213)；水利部公益性行业专项(201501036)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2016021/YT，CKSF2017038/YT)

崔皓东(1976-)，男，河南项城人，高级工程师，博士，主要从事水工及岩土工程渗流研究，(电话)027-82927243(电子信箱)seep3d@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161358

O319.56;TU471.6

A

1001-5485(2017)12-0068-05

(编辑：黄 玲)