南水北调中线焦作1段工程高填方渠道稳定性分析

王文丰

(华北水利水电大学，郑州 450045)

京津华北平原的缺水属于资源性缺水，仅靠节水和污水回用已不能解决水资源过度利用造成的一系列问题。实施南水北调中线工程，补充水资源供应量，是实现南北水资源的合理配置、缓解京津华北平原水资源供需矛盾、支撑该地区国民经济与社会可持续发展的重要措施[1]。

焦作1段工程是南水北调中线工程的组成部分，担负着工程向焦作市以北河南省北部受水区及向京津冀输水的供水任务。

1 研究背景

中线总干渠穿行于华北平原和山地之间的山前倾斜平原、岗地和丘陵，渠线西侧由北向南依次有太行山、嵩山、箕山和伏牛山脉；东侧有黄、淮、海平原和唐白河平原，高程在100 m以下[2]。

总体来说，总干渠沿线地形复杂，根据南水北调中线工程主管部门工作指示，组织对工程总干渠填方高度≥6 m的填方渠道桩号、长度、渠堤填筑土料等数据进行调研统计。统计结果显示，总干渠填方高度≥6 m的填方渠道主要位于河南省境内，其中又以焦作1段、淅川段等最为突出和关键。结合总干渠具有线路长、高填方渠段多、地势地形多变及运行工况复杂的特点，为确保高填方段的高质量运行管理，并按工程主管部门有关工作安排，开展中线高填方渠段运行管理专题研究，以期掌握高填方渠道运行安全实际状况。

鉴于篇幅，本文主要研究分析渠堤在水的渗流作用下的稳定性。

2 基于有限元计算方法

渗流问题在水工结构(如土石坝、渠道)的设计中具有十分重要的地位，极大地影响建筑物的安全与造价[3]。在目前的分析方法中，由于有限元方法能有效地处理复杂的边界条件、材料的非均匀性、材料的各向异性，并能方便地求解三维问题，在工程设计中被广泛使用。

ABAQUS/Standard提供的特殊渗流边界条件功能，在ABAQUS/ Standard中按照非饱和土力学理论，将整个区域作为分析区域并基于固定网格求解，浸润面取为孔隙水压力为零处，求解具有很大的方便性和较好的精度。通过专业的渗流计算模块，定义渗流的典型边界条件，包括水头边界条件、自由渗出段边界、直接定义渗流速度、指定面上的法向渗流速度和定义点上的渗流速度[4]。

3 典型断面研究

3.1 工程概况

焦作1段属太行山山前冲洪积倾斜平原，覆盖层由冲洪积物构成，表层土以壤土、黏土、细砂及泥卵石为主，地下水埋深5～6 m。

焦作1段工程填高≥6 m的填方渠道累计长度约7.12 km，填方高度6～9.6 m，全填方段起止桩号为Ⅳ38+426.6～Ⅳ41+311.9，一般上部1 m左右为杂填土，下部为素填土。

渠道设计流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。

选取的典型断面渠底高程97.89 m，渠堤高程106.53 m，填方高度7.99 m。设计水位104.899 m，加大水位105.534 m。填方渠段采用混凝土衬砌以及复合土工膜(600 g/cm2)作为防渗材料。

3.2 计算模型

焦作1段典型断面的有限元计算模型见图1，并给出了模型整体有限元网格。

图1 典型断面有限元计算模型

渠道有限元计算模型中列出渠道及各层地基土层分布，并对渠道填土、各层地基土进行组元分类，可实现程序计算自动赋予渗透参数。模型中采用孔压-位移耦合的CPE8RP单元，该单元是二维8节点平面应变单元。计算模型的节点和单元数不再详细说明。

地基环向侧面边界条件取法向约束，根据有限元分析软件提供的特殊边界条件功能，分别定义渗流的典型边界条件。

计算工况为渠道衬砌破坏，渠道内水向渠堤外渗漏，计算渠堤堤身、堤基及背水坡渗流出逸段的渗透稳定性。这种工况在工程上是偏于安全的。

3.3 结果分析

由于渠道结构的对称性，本文只作渠道左侧渠堤的稳定性分析。

3.3.1 设计水位工况

1) 渗流浸润线与渠坡逸出点。浸润线见图2。由图2中可知，浸润线位置相对不高，从渠内到渠外呈斜线分布。渠段外侧无水，浸润线在渠段内临水侧水位为104.899 m，渠段背面逸出点均位于堤脚外侧，渠段左侧渠坡逸出点高度为0.3 m。

图2 稳定场分布(设计水位工况)

总体分析，渠段左侧的逸出点高程较低。典型断面在外坡脚的出逸高度很小，出逸段渗透比降为0.27。逸出段的计算渗透比降小于土的允许比降，不会发生渗透破坏。

2) 渗流稳定性分析。图3为渗流场流速的分布。渠底第一层为黄土状重粉质壤土，其渗透性相对于渠段回填土要大，这种情况下，水流流速在底层的连通性较好，水流的流速也较大。由图3可知，渗流场流速除了在渠内水位处较大外，就是在渠底第一层土内和坡脚处最大。

图3 流速场分布(设计水位工况)

设计水位下的渠道内水头等势线分布见图4，自上而下呈均匀分布，反映出渠道均质的特点。

图4 水头等值线分布(设计水位工况)

3) 渗透量分析。设计水位下，渠底和坡脚的最大单宽渗流量为0.017 m3/d·m。渗漏量较小。

3.3.2 加大水位工况

1) 渗流浸润线与渠坡逸出点。浸润线见图5，由图5中可知，浸润线位置相对设计水头下有所提高，但仍较低地平滑从渠内到渠外呈斜线分布。渠段外侧无水，浸润线在渠段内临水侧水位为105.534于m，渠段背面逸出点均位于堤脚外侧，渠段渠坡逸出点高度为0.7 m。

图5 稳定场分布(加大水位工况)

高程较设计水位时高出一倍以上。由典型断面在外坡脚的出逸高度计算渗透比降，出逸段渗透比降为0.31。逸出段的计算渗透比降小于土的允许比降，不会发生渗透破坏。

2) 渗流稳定性分析。图6为加大流量工况下渗流场流速的分布。渠道和土层的整体渗流流速矢量与设计水位工况相似，仅在水位上升后，其渠内流速最大点有所升高。原因是渠底第一层黄土状重粉质壤土相比渠段回填土渗透性要大，水流在底层连通性较好，流速较大。由图6可知，渗流场流速除了在渠内水位处较大外，就是在渠底第一层土内和坡脚处最大。

图6 流速场分布(加大水位工况)

设计水位下的渠道内水头等势线分布(图7)也略有升高，自上而下呈均匀分布，反映了渠道均质的特点。

图7 水头等值线分布(加大水位工况)

3) 渗透量分析。加大水位下，渠底和坡脚的最大单宽渗流量为0.019 m3/d·m。渗漏量较小。加大水位后，虽然提高了浸润线，加大了渗透比降，但由于初始的渗流量较小，在坡脚的渗漏量增加也较小。

4 结 语

通过对运行期高填方渠段的典型断面进行渗流场计算分析，可以认为，在设计流量和加大流量的正常运行工况下，浸润线位置不高，逸出点高程较低，渗流量较小。在外坡脚的出逸高度一般为零或者很小，出逸段的计算渗透比降小于土的允许比降，外坡脚出逸段的渗透比降也小于土的允许比降。

考虑到南水北调中线工程至今已建成通水5年有余，高填方段渠堤在建成后长期运行情况下，外坡脚可能会出现软化或破坏，建议对外坡脚设置排水及防护措施。