南水北調(diào)中線工程典型渠堤數(shù)值模擬分析

韋耀國 ，趙毅恒 ，杜智浩

（1. 南水北調(diào)中線干線建設管理局，北京 10038；2. 河海大學水電學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

南水北調(diào)中線工程是迄今為止世界上最大的調(diào)水工程，全長約 1 432 km[1]，一期工程年調(diào)水量約95 億 m3[2]，其安全運行對北京、天津和河北的飲水安全具有十分重要的意義。渠首段作為南水北調(diào)典型堤段，涉及高填方、深挖方和膨脹土邊坡，且采用大量大型輸水建筑物和復雜人工構(gòu)筑渠道，因此地質(zhì)及工程條件極其復雜，近年來時有滑坡事故發(fā)生。

由于實際工程的復雜性和風險的不可預測性，從 20 世紀末期開始，數(shù)值分析逐漸取代邊坡穩(wěn)定性圖解法，用以研究此類復雜渠道工程問題。例如：劉華強等[3]對膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法進行了研究，秦祿生等[4]進行了膨脹土路基邊坡在雨季失穩(wěn)破壞的機理研究。

另一方面，國家重點研發(fā)計劃“南水北調(diào)工程運行安全監(jiān)測與檢測體系融合技術研究及檢測裝備和預警系統(tǒng)示范”將監(jiān)測系統(tǒng)提升作為重要研究內(nèi)容，要求實現(xiàn)測點的優(yōu)化和儀器參數(shù)的精準確定。而目前國家和行業(yè)仍缺乏大型調(diào)水工程安全監(jiān)測技術規(guī)范，數(shù)值計算作為了解渠坡滑動部位、變形和滲流數(shù)值特征的有效手段，可以剖析典型特殊渠段的失事機理，為測點布置和儀器參數(shù)確定提供有力參考。

現(xiàn)今研究復雜渠道邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，一般選擇 ANSYS，F(xiàn)LAC，Geo-Studio，STAB 等軟件，采用莫爾-庫倫強度理論進行計算。其中 Geo-Studio 系統(tǒng)軟件是 20 世紀 70 年代由加拿大巖土軟件開發(fā)公司開發(fā)的一套知名的巖土工程分析軟件，近年來該分析軟件以其仿真分析功能全面穩(wěn)定（8 個功能分析模塊），設計領域廣泛（巖土、地質(zhì)、采礦、水利、交通、環(huán)境工程等）而被廣泛用于渠道邊坡數(shù)值分析。本研究亦選擇 Geo-Studio 軟件進行南水北調(diào)典型渠段的數(shù)值模擬，主要用到其中的滲流分析模塊（SEEP/W）、應力變形分析模塊（SIGMA/W）及邊坡穩(wěn)定性分析模塊（SLOPE/W）。

1 典型渠段地質(zhì)條件和斷面分析

1.1 典型渠段分析

南水北調(diào)中線渠道中填筑高度超過 6 m 的高填方渠段約為 144 km，占比很大，且渠道過水斷面多采用混凝土襯砌，如果產(chǎn)生過大的沉降變形，易導致邊坡襯砌面板出現(xiàn)較大的撓度、結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，造成面板結(jié)構(gòu)破壞，嚴重的會造成面板斷裂滑塌、內(nèi)水外滲等現(xiàn)象，影響渠道工程的運營安全[5–6]。

南水北調(diào)中線工程總干渠分布近 400 km 長的膨脹土（巖）段[7]，占總干渠長度的 30% 左右，主要分為強、中和弱膨脹土[8]。在長期干濕循環(huán)作用下，膨脹土土體產(chǎn)生很多裂隙，裂隙逐漸往深土層擴張，極易產(chǎn)生淺表層滑坡。隨著淺表層土體開始失穩(wěn)下滑和裂隙的逐漸深入，雨水滲入深部土層，在不同強度的土體交界面處容易發(fā)展形成土性極弱的軟弱夾層[9]。因此，在渠坡開挖后，由于邊坡應力不平衡，軟弱滑動帶位置處易出現(xiàn)大面積的滑坡[10]。

本次研究的南水北調(diào)典型渠段是含有深挖方及高填方特殊工況下的弱膨脹土渠道。近年來的相關研究表明，弱膨脹土的邊坡失穩(wěn)主要為受大氣影響控制的淺表層破壞，隨著渠道開挖深度加大，膨脹土邊坡不僅在受水增濕條件下膨脹變形會產(chǎn)生淺表層變形破壞，而且存在受裂隙面和夾層控制的深層活動破壞。

1.2 典型斷面分析

1.2.1 高填方渠坡

本次研究以南水北調(diào)中線調(diào)水工程渠首段 35 +400 標段高填方渠道右岸邊坡為研究對象，渠道堤頂高程為 147.100 m，渠底高程為 137.680 m，地面高程為 133.700 m，坡頂?shù)降孛孀畲筇罘礁叨葹?13.4 m，渠底寬為 19.0 m，坡頂寬為 5.0 m，渠道正常運行水位在 145.509～145.769 m 之間，變幅很小。

選取 145.769 m 作為設計水位高程，即渠內(nèi)水深 8.089 m。由于渠道左右岸對稱，則襯砌完好工況下的渠坡斷面模型簡化為如圖 1 所示的模型圖。

圖1 35 + 400 標段襯砌完好的高填方渠坡斷面模型圖

根據(jù)該標段巖土勘察報告，渠道主要填方土的巖性以弱膨脹黏土為主，土體基本參數(shù)如表 1 所示，襯砌完好時，渠道內(nèi)坡襯砌為 10 cm 厚的 C20混凝土面板和 100 cm 厚的水泥改性土，渠道外坡襯砌為 100 cm 厚的水泥改性土，面板滲透系數(shù)為 3×10-9cm/s，在外坡腳還設置了貼坡排水。

表1 土體計算參數(shù)

根據(jù)土體計算參數(shù)，運用 Geo-Studio 軟件對襯砌完好及失效 2 種工況下的高填方渠坡斷面建立計算模型。襯砌完好模型的有限元計算網(wǎng)格剖分節(jié)點為 2 186 個，單元為 2 074 個；襯砌失效模型的網(wǎng)格剖分節(jié)點為 2 105 個，單元為 1 990 個。網(wǎng)格剖分如圖 2 所示。

圖2 襯砌完好及失效工況下高填方渠坡網(wǎng)格圖

1.2.2 深挖方渠坡

以南水北調(diào)中線調(diào)水工程中 10 + 300 標段深挖方渠道右岸邊坡為研究對象，渠道堤頂高程即地面高程為 166.738 m，渠底高程為 138.738 m，最大挖方高度為 28.0 m，渠底寬為 13.5 m，地下水位高程為 159.700 m，渠道正常運行水位在 146.350～146.870 m 之間，變幅很小。

選取 146.870 m 作為設計水位，渠內(nèi)水深為8.132 m。設計水位條件下，襯砌完好工況下的渠坡斷面模型簡化如圖 3 所示。

深挖方渠坡土體的材料特性與高填方渠坡相同，以弱膨脹黏土為主，土體基本參數(shù)和高填方渠坡土體相同。渠道邊坡填筑 150 cm 厚水泥改性土，面板襯砌至高程為 148.738 m 處的一級馬道位置。

圖3 10 + 300 標段襯砌完好的深挖方渠坡斷面圖

用 Geo-Studio 軟件建立深挖方渠坡斷面計算模型，襯砌完好的模型網(wǎng)格剖分節(jié)點為 3 512 個，單元為 3 386 個；襯砌失效的模型網(wǎng)格節(jié)點為 3 484 個，單元為 3 353 個。網(wǎng)格剖分如圖 4 所示。

圖4 襯砌完好及失效工況下深挖方渠坡網(wǎng)格圖

2 典型斷面水平位移及滲透壓力分析

2.1 高填方渠坡

2.1.1 水平位移分析

以 35 + 400 標段高填方渠道右岸邊坡為研究對象，運用 SIGMA/W 模塊模擬在設計水位條件襯砌完好及失效 2 種工況下高填方渠坡的水平位移，2 種工況下高填方渠道正常運行期的邊坡內(nèi)部水平位移等值線圖如圖 5 所示。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，襯砌完好的高填方渠坡在內(nèi)坡上部和坡頂位置位移較大，方向向右往渠道外側(cè)，最大位移值為 0.051 m。襯砌失效的渠坡內(nèi)部土體水平位移分布大致左右對稱，位移值范圍為-0.004～0.024 m，在坡頂和外坡一側(cè)馬道附近的坡體位移較大，最大位移發(fā)生在外坡坡體內(nèi)，位移值為 0.024 m，方向指向渠道外側(cè)。這說明該渠道外坡表面可能產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，這些部位應重點進行水平位移監(jiān)測布置。

圖5 襯砌完好及失效工況下高填方渠坡水平位移等值線圖（單位：m）

2.1.2 滲流壓力分析

運用 SEEP/W 模塊模擬正常運行期高填方渠坡襯砌完好及失效 2 種工況下的孔隙水壓力和水力梯度，圖 6 為 2 種工況下高填方渠坡的孔隙水壓力等值線圖，圖 7 為水力梯度等值線圖。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，2 種工況下渠底部位的孔隙水壓力都較大。襯砌完好的高填方渠坡在內(nèi)坡和渠底襯砌底部位置的水力梯度較大，最大值達到46.430，在此處易發(fā)生滲透破壞，須重點進行滲流監(jiān)測；襯砌失效的渠坡在外坡腳位置的水力梯度最大為 0.477。

圖6 襯砌完好及失效工況下高填方渠孔隙水壓力等值線圖（單位：kPa）

圖7 襯砌完好及失效工況下高填方渠坡水力梯度等值線圖

結(jié)合 2 種工況下高填方渠坡的滲流模擬結(jié)果進行分析，應在內(nèi)外坡腳、馬道、內(nèi)坡和渠底襯砌底部位置埋設滲壓計進行滲流監(jiān)測。

2.2 深挖方渠坡

2.2.1 水平位移分析

以 10 + 300 標段深挖方渠道右岸邊坡為研究對象，運用 SIGMA/W 模塊模擬在設計水位條件襯砌完好及失效 2 種工況下深挖方渠坡的邊坡水平位移，2 種工況下水平位移等值線圖如圖 8 所示。

圖8 襯砌完好及失效工況下深挖方渠坡水平位移等值線圖（單位：m）

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，襯砌完好的深挖方渠坡在渠底和邊坡襯砌部分的坡體產(chǎn)生相對明顯的位移，方向向右往渠道外側(cè)，最大位移值為 0.010 m；在襯砌頂部的一級馬道位置產(chǎn)生往渠道內(nèi)側(cè)的位移，最大值為 0.011 m。襯砌失效的渠坡內(nèi)部土體明顯往渠道內(nèi)側(cè)方向發(fā)生位移，最大位移值為 0.107 m，因此該位置應重點進行變形監(jiān)測。

2.2.2 滲透壓力分析

運用 SEEP/W 模塊模擬正常運行期深挖方渠坡襯砌完好及失效 2 種工況下的孔隙水壓力和水力梯度，2 種工況下的孔隙水壓力等值線圖如圖 9 所示，水力梯度等值線圖如圖 10 所示。

圖9 襯砌完好及失效工況下深挖方渠坡孔隙水壓力等值線圖（單位：kPa）

圖10 襯砌完好及失效工況下深挖方渠坡水力梯度等值線圖

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，與高填方渠道類似，2 種工況下均在渠底部位達到孔隙水壓力最大值。襯砌完好的深挖方渠坡在襯砌底部位置的水力梯度較大，最大值達到 27.450，此處易發(fā)生滲透破壞，須重點進行滲流監(jiān)測；襯砌失效的渠坡在坡腳位置的水力梯度最大為 0.483。結(jié)合 2 種工況下深挖方渠坡的滲流模擬進行分析，在坡腳和襯砌底部位置均應埋設滲壓計進行滲流監(jiān)測。

3 典型渠段邊坡危險滑面確定

3.1 高填方渠坡

數(shù)值模擬高填方渠坡等水頭線分布，襯砌完好和失效 2 種工況下等水頭線分布圖如圖 11 所示。由模擬結(jié)果可知，相比襯砌完好的高填方渠坡，襯砌完全失效的渠坡浸潤線明顯較高，對于渠坡的穩(wěn)定性有不利影響。

圖11 襯砌完好及失效工況下高填方渠坡等水頭線分布圖（單位：m）

對于該高填方渠道斷面，運用 SLOPE/W 模塊，結(jié)合渠坡弱膨脹黏土的地質(zhì)條件，采用 Bishop法計算安全系數(shù)，模擬得出的渠道正常運行期襯砌完好和失效 2 種工況下渠坡的危險滑動面及穩(wěn)定安全系數(shù)，滑動面計算結(jié)果如圖 12 所示。

采用擬定的路面結(jié)構(gòu)以及各層結(jié)構(gòu)模量值，路基頂面回彈模量采用平衡濕度狀態(tài)下的回彈模型乘以模量調(diào)整系數(shù)kl（kl=0.5），為50MPa，根據(jù)彈性層狀體系理論計算得到路表驗收彎沉值la為19.9（0.01mm）。

圖12 襯砌完好及失效工況下高填方渠坡危險滑動面

根據(jù)計算結(jié)果進行分析，襯砌完好的高填方渠坡在設計水位條件下的危險滑動面位于堤頂至坡腳的范圍，安全系數(shù)為 2.315，滑坡體的體積和切入邊坡的深度較大，渠坡發(fā)生滑坡后修補的難度和工程量都較大。

而襯砌失效的渠坡危險滑動面范圍大于襯砌完好的渠坡，安全系數(shù)為 2.118，低于襯砌完好的高填方渠坡，發(fā)生滑坡的風險相對更大，在邊坡浸潤線入口附近切入深度最大，可達 7.380 m。通過模擬 2 種工況下高填方渠坡的危險滑動面，確定最大滑坡深度的位置，在設置內(nèi)部變形測點時須與之相對應。

3.2 深挖方渠坡

數(shù)值模擬深挖方渠坡等水頭線分布，襯砌完好和失效 2 種工況下等水頭線分布圖如圖 13 所示。模擬得出渠道正常運行期 2 種工況下渠坡的危險滑動面及穩(wěn)定安全系數(shù)，滑動面計算結(jié)果如圖 14 所示。

圖13 襯砌完好及失效工況下深挖方渠坡等水頭線分布圖（單位：m）

圖14 襯砌完好及失效工況下深挖方渠坡危險滑動面

根據(jù)計算結(jié)果進行分析，襯砌完好的深挖方渠坡正常運行期工況的滑動面為堤頂至坡腳的范圍，安全系數(shù)為 1.606，分析其相對偏低的原因可能是渠道斷面大且挖方深，邊坡易發(fā)生滑坡破壞。

深挖方渠坡危險滑面的形式和特點與高填方類似，滑坡體體積很大，向渠坡內(nèi)切入的深度大且范圍廣。本襯砌失效的深挖方渠坡安全系數(shù)為 1.535，低于襯砌完好的渠坡，通過查詢土條信息，跨度 113 m的深挖方渠坡斷面上有長 69 m 的滑坡面切入深度超過 10.000 m。在渠道邊坡中段二級馬道附近切入深度最大，最大可達 19.716 m。通過確定滑坡深度，設置相應的內(nèi)部變形測點。通過對比可以看出，該典型深挖方渠坡相比高填方渠坡更易發(fā)生滑坡破壞。

通過對高填方和深挖方渠坡在襯砌完好和完全失效 2 種工況下的危險滑動面分析，可知該段特殊渠道邊坡存在發(fā)生滑坡破壞的風險。為提高調(diào)水工程的穩(wěn)定性，最終擬在 10 + 300 標段渠坡原有測點布置的基礎上，對 10 + 300 標段深挖方渠坡進行如下測點布置和優(yōu)化：

1）對渠道坡頂處的原有水平位移測點進行自動化監(jiān)測改造，利用已有鉆孔埋設固定式測斜儀，改造后的測點底部埋設高程為 130.238 m。

2）對邊坡二級馬道處進行測點布置，此處鉆孔埋設的測斜儀經(jīng)過水平位移最大值部位，同時該處滑坡體切向深度也最大，測點位置關鍵，須進行重點實時監(jiān)控，測點底部高程為 128.738 m。

3）對邊坡襯砌段中部進行測點布置，測點底部高程為 128.738 m，此處坡體內(nèi)部的水平位移相對較明顯，測斜儀埋設完成后配置數(shù)據(jù)自動采集設備。

4）對水力梯度最大的襯砌底部、坡腳和渠基部位的原有 5 組滲壓計配置數(shù)據(jù)自動采集設備，可以監(jiān)控危險部位，防止發(fā)生滲透破壞。

4 結(jié)語

南水北調(diào)中線干線工程渠首高填方和深挖方段是渠道安全監(jiān)測的重點和難點，采用 Geo-Studio 軟件進行南水北調(diào)典型渠段的數(shù)值模擬，可得到以下結(jié)果：

1）用 SIGMA/W，SEEP/W 模塊及飽和-非飽和統(tǒng)一滲流方程，得到襯砌完好和破壞 2 種工況下各渠段水平位移場及滲透壓力場。結(jié)果表明高填方渠道在襯砌失效時坡頂和外坡一側(cè)馬道坡體位移較大，最大位移發(fā)生在外坡坡體內(nèi)，最大水力梯度發(fā)生在外坡腳位置。深挖方渠道在完好襯砌時主要位移發(fā)生在渠底和邊坡襯砌部分的坡體，而且在襯砌頂部的一級馬道位置產(chǎn)生往渠道內(nèi)側(cè)的位移，此時水利梯度在襯砌底部達最大值。襯砌失效時主要位移發(fā)生在渠坡內(nèi)部，此時坡腳位置達最大位移值和水力梯度峰值。因此，在渠道襯砌完好時應重點監(jiān)測坡頂及外坡一級馬道的位移、坡腳的滲漏等破壞；在襯砌失效時除應重點監(jiān)測渠道內(nèi)坡的位移破壞，還需注意坡腳的滲漏破壞，同時對 2 個重點區(qū)域進行加固除險。

2）用 SLOPE/W 模塊及 Bishop 法，獲得襯砌完好和破壞 2 種工況下各渠段最危險滑動面及安全系數(shù)。結(jié)果表明高填方渠道襯砌完好時，危險滑動面位于堤頂至坡腳的范圍；襯砌失效時，渠坡危險滑動面范圍變大，在邊坡浸潤線入口附近切入深度最大。深挖方渠道在襯砌完好時，滑動面為從堤頂至坡腳的范圍；襯砌失效時，滑動范圍加大且渠道邊坡中段二級馬道附近切入深度最大。因此，在 2 種特殊渠道的襯砌失效時，各自邊坡最?；娓浇韪裢獠贾帽O(jiān)測測點日夜監(jiān)測，以防滑坡、崩坡的產(chǎn)生。在渠道修復時除重點關注最危滑面，也應對深挖方渠道的二級馬道附近進行重點修復。

需指出的是，雖然上述計算結(jié)果可為測點布置、儀器選型及巡視檢查重點部位提供參考，但在揭示特殊渠段邊坡可能存在的破壞模式時，采用的軟件未考慮帶有膨脹力的土體的本構(gòu)模型，若以后有限元軟件針對膨脹土土質(zhì)模型二次開發(fā)，則可更好地模擬與實際相符的情況，為后續(xù)監(jiān)測項目的測點和儀器優(yōu)化選擇提供理論依據(jù)。