不同降雨類(lèi)型下高地下水位渠道性態(tài)數(shù)值模擬研究

陳輝 張延億 馬吉?jiǎng)? 鄧剛 趙守勤 李來(lái)祥

摘 要：為解決高地下水位渠道在遭遇強(qiáng)降雨時(shí)容易發(fā)生襯砌破壞的問(wèn)題，深入研究了不同降雨條件下高地下水位渠道內(nèi)部結(jié)構(gòu)性態(tài)的響應(yīng)規(guī)律?；诜秋柡蜐B流理論，對(duì)4種不同降雨類(lèi)型條件下渠道內(nèi)部的滲壓（總水頭）情況進(jìn)行了分析研究，得出對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全最不利的降雨類(lèi)型是前鋒型降雨和均勻型降雨。在滲流分析的基礎(chǔ)上，基于Morgenstern-Price法對(duì)渠道邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定分析，結(jié)果表明隨降雨的持續(xù)，各種降雨類(lèi)型條件下邊坡安全系數(shù)均表現(xiàn)為持續(xù)減小。同時(shí)前鋒型和均勻型降雨條件下發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)大于其他兩種雨型。因此，從滲流和邊坡穩(wěn)定計(jì)算角度看，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注前鋒型和均勻型降雨。在此基礎(chǔ)上，對(duì)渠道排水設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，所提方案可有效降低渠道內(nèi)部的滲流壓力。

關(guān)鍵詞：降雨類(lèi)型;滲流;邊坡穩(wěn)定;高地下水位;渠道

中圖分類(lèi)號(hào)：TV91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.023

引用格式：陳輝，張延億，馬吉?jiǎng)偅?不同降雨類(lèi)型下高地下水位渠道性態(tài)數(shù)值模擬研究[J].人民黃河，2021，43（11）：126-129，136.

Numerical Simulation of High Groundwater Level Channel Behavior Under Different Rainfall Types

CHEN Hui ?ZHANG Yanyi ?MA Jigang ?DENG Gang ?ZHAO Shouqin ?LI Laixiang3

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China Institute of Water Resources and

Hydropower Research， Beijing 100038， China; 2.Key Laboratory of Construction and Safety of Hydraulic Engineering

of Ministry of Water Resources， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;

3.Water Transfer Project Operation and Maintenance Center of Shandong Province， Jinan 250100， China）

Abstract： In order to solve the adverse effect that the lining of high groundwater level channels was prone to damage when subjected to heavy rainfall， the response law of internal structural state of high groundwater level channels under different rainfall conditions was studied. Based on the non-seepage seepage theory， the seepage pressure （total water head） in the tunnel under four different rainfall types was analyzed and studied. The results show that the most unfavorable rainfall types for the lining structure safety are the frontal rainfall and uniform type rainfall. On the basis of seepage analysis and Morgenstern-Price method， the slope stability analysis of the channel slope was carried out. The results show that the slope safety factor decreases continuously with the continuous rainfall. At the same time， the risks of landslide about front type and uniform type rainfall are greater than that in the other two types of rainfall. Therefore we should pay more attention to the front type and uniform type rainfall from the perspective of seepage and slope stability calculation. On this basis， the drainage design of the channel is further optimized and improved， and the proposed scheme can effectively reduce the seepage pressure inside the channel. The research results can provide reference for slope and seepage control design of high groundwater level channels.

Key words： rainfall types; seepage; slope stability; high groundwater level; channel

在大流量、長(zhǎng)距離供水或灌溉渠道的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，受地形地質(zhì)條件等的影響，常遇到渠道穿越高地下水位區(qū)域的情況。高地下水位對(duì)渠坡和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均可能產(chǎn)生一定的影響，而降雨又是影響高地下水位渠道邊坡和襯砌結(jié)構(gòu)安全的重要因素之一。大量研究者已對(duì)降雨引起的邊坡滲流特性及穩(wěn)定性變化進(jìn)行了深入研究，如：石振明等[1]提出了考慮降雨入滲的多層非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法;蔣中明等[2]利用FLAC3D軟件進(jìn)行了邊坡三維非飽和降雨入滲分析;張珂峰[3]利用Geostudio軟件模擬了三峽庫(kù)區(qū)某邊坡在庫(kù)水位驟降及庫(kù)水位驟降聯(lián)合降雨條件下的滲透穩(wěn)定性規(guī)律;曾鈴等[4]提出一種基于飽和-非飽和滲流及非飽和抗剪強(qiáng)度理論的路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法;李斌等[5]采用穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流三維有限元模擬技術(shù)，對(duì)南水北調(diào)中線一期穿黃工程南岸渠道高邊坡滲流狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。但針對(duì)高地下水位渠道的降雨入滲問(wèn)題的研究較少。當(dāng)前一些高地下水位渠道缺少相應(yīng)的排水系統(tǒng)，在強(qiáng)降雨條件下會(huì)產(chǎn)生較大的揚(yáng)壓力，使渠道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[6]。例如：南水北調(diào)中線工程總干渠某渠段附近地下水位較高，河水滲漏引起的地下水位上升嚴(yán)重影響了渠道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[7]。

采取工程措施消除地下水對(duì)渠道襯砌板的不利影響是渠道設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。為了更科學(xué)地研究高地下水位對(duì)渠坡和襯砌結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算不同降雨類(lèi)型（前鋒型、中鋒型、后鋒型、平均型）下渠道邊坡與襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，得到邊坡內(nèi)部不同位置的孔壓、安全系數(shù)等隨降雨歷程的變化規(guī)律，并對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案。

1 數(shù)值模擬計(jì)算原理

1.1 非飽和滲流理論

非飽和滲流計(jì)算控制方程為

x（kxHx）+y（kyHy）+Q=mwγwHt（1）

式中：H為總水頭;kx、ky分別為x、y方向的滲透系數(shù);Q為邊界流量;γw為水的容重;t為時(shí)間;mw為土-水特征曲線的斜率。

土-水特征曲線采用Fredlund & Xing模型[8]，相應(yīng)的方程如下：

θw=θs{ln[e+（φa）n]}-m（2）

式中：a為進(jìn)氣值，主要取決于孔隙的尺寸;n為當(dāng)基質(zhì)吸力超過(guò)土的進(jìn)氣值時(shí)土中流出率函數(shù)的土性參數(shù);m為殘余含水量函數(shù)的土性參數(shù)，與特征曲線的整體對(duì)稱性相關(guān);φ為基質(zhì)吸力;θw為體積含水率;θs為飽和體積含水率。

滲透系數(shù)曲線采用如下表達(dá)式[9]：

kw=ksΘp（3）

式中：kw為非飽和土的滲透系數(shù);ks為飽和滲透系數(shù);Θ為體積含水量θW與飽和體積含水量θS之比（θW/θS）;p為滲透系數(shù)曲線中的擬合參數(shù)。

1.2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算原理

當(dāng)完成非飽和滲流計(jì)算之后，將滲流計(jì)算結(jié)果耦合并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算。邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用Morgenstern-Price法[10]。

Fredlund等提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式[11]為

τ=c′+（σn-ua）tan φ′+（ua-uw）tan φb（4）

式中：τ為非飽和抗剪強(qiáng)度;c′為有效黏聚力;φ′為有效內(nèi)摩擦角;σn-ua為凈法向應(yīng)力;ua-uw為基質(zhì)吸力;φb為基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響所對(duì)應(yīng)的摩擦角。假定在降雨過(guò)程中土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)保持不變。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某供水渠道運(yùn)行20多a后，沿線地下水位發(fā)生不同程度的變化，對(duì)于地下水位發(fā)生上漲的渠段，因缺少相應(yīng)的排水系統(tǒng)而產(chǎn)生較大的揚(yáng)壓力，使渠道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此，對(duì)高地下水位渠道采取排水措施：在渠道坡腳采用暗管集水、逆止式排水器自流內(nèi)排的方案。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇浪粫r(shí)，逆止式閥門(mén)開(kāi)啟，將地下水排至輸水渠內(nèi)，反之閥門(mén)關(guān)閉。渠道典型斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。在正常運(yùn)行過(guò)程中，該段渠道地下水位為2.60 m左右，渠道內(nèi)水位為2.60～3.00 m。

為了優(yōu)化排水方案，對(duì)強(qiáng)降雨條件下渠道內(nèi)部結(jié)構(gòu)性態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.2 計(jì)算模型

（1）計(jì)算模型及邊界條件設(shè)置。計(jì)算模型如圖2所示。地表面設(shè)置為降雨流量邊界;渠道全斷面防滲，認(rèn)為不透水。為了反映最不利工況，逆止閥為定水頭邊界2.60 m（河道低水位），初始地下水位為2.60 m。網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1 m，網(wǎng)格數(shù)量為21 616個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為21 909個(gè)。

選取襯砌結(jié)構(gòu)以下3個(gè)典型節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖2標(biāo)記位置）進(jìn)行分析。

土體力學(xué)模型參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）土水特征曲線。滲流分析過(guò)程中的土水特征曲線和對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)曲線如圖3所示。

（3）降雨過(guò)程。降雨強(qiáng)度參考該渠段所在區(qū)域50 a以來(lái)最強(qiáng)降雨。降雨類(lèi)型分別為前鋒型、后鋒型、中鋒型及均勻型，總降雨量均為286 mm，降雨時(shí)間持續(xù)33 h。不同降雨類(lèi)型的降雨過(guò)程如圖4所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 滲壓計(jì)算結(jié)果分析

襯砌板的抗浮穩(wěn)定系數(shù)通過(guò)下式求取[12]：

Kf=γ′chc/（γwΔh）（5）

式中：γ′c為襯砌板浮容重，kN/m3;γw為水容重，kN/m3;hc為襯砌板厚度，m;Δh為襯砌板底面總水頭與渠道水位的差值，m。

當(dāng)襯砌板處于水中，Kf=1.0，hc=0.06 m，襯砌板浮容重取15 kN/m 求得Δh=0.09 m。因此，當(dāng)Δh≥0.09 m時(shí)才能保證襯砌板的安全。

渠道內(nèi)水位為2.60 m時(shí)襯砌板底部總水頭不能超過(guò)2.69 m，否則襯砌板將在上下壓差的作用下發(fā)生隆起破壞。

選擇降雨結(jié)束時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行渠道內(nèi)部滲壓分析，如圖5所示?？芍?，各種雨型條件下，浸潤(rùn)線（圖5中虛線）下方襯砌結(jié)構(gòu)的最大總水頭均在2.70～2.80 m之間，超過(guò)了2.69 m的臨界水頭，因此襯砌板將在降雨的作用下發(fā)生破壞。

為研究各雨型對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)影響的差異，分析襯砌板下典型節(jié)點(diǎn)1、2、3所在位置總水頭隨降雨過(guò)程變化的規(guī)律，如圖6所示。

可知，在降雨過(guò)程的前31 h各對(duì)應(yīng)時(shí)刻典型節(jié)點(diǎn)總水頭的大小規(guī)律是前鋒型>均勻型>中鋒型>后鋒型，后2 h的總水頭大小規(guī)律是均勻型>前鋒型>中鋒型>后鋒型。因此，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)最不利的降雨過(guò)程是前鋒型降雨和均勻型降雨。

同時(shí)，在降雨過(guò)程中幾種降雨工況下典型節(jié)點(diǎn)1的總水頭在降雨后期都超過(guò)了2.69 m，因此節(jié)點(diǎn)1所在位置的襯砌結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞。而在均勻型和前鋒型降雨條件下節(jié)點(diǎn)2位置可能發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)3位置則相對(duì)安全。

綜上所述，由高地下水位內(nèi)部滲流情況可知，不同降雨類(lèi)型的降雨所帶來(lái)的渠道內(nèi)部滲壓響應(yīng)規(guī)律是不同的，其中前鋒型和均勻型降雨對(duì)應(yīng)的滲壓增長(zhǎng)速度較快，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞力較強(qiáng)。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這兩種降雨類(lèi)型。同時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)以下不同位置的滲流響應(yīng)也有較大差異，在設(shè)計(jì)中也應(yīng)對(duì)此情況進(jìn)行充分分析。

2.3.2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析

隨著降雨的持續(xù)，各種降雨類(lèi)型條件下邊坡安全系數(shù)均降低（見(jiàn)圖7），說(shuō)明降雨會(huì)增加渠道邊坡發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)。在降雨過(guò)程前31 h各時(shí)間點(diǎn)安全系數(shù)的大小規(guī)律為前鋒型<均勻型<中鋒型<后鋒型，最后2 h安全系數(shù)的大小規(guī)律為均勻型<前鋒型<中鋒型<后鋒型，因此前鋒型和均勻型降雨條件下發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)大于其他兩種雨型。造成這種現(xiàn)象的主要原因是前鋒型和均勻型降雨在降雨過(guò)程中孔隙水壓力增大的速度比其他兩種雨型的快。

圖8為降雨結(jié)束后各降雨類(lèi)型下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及計(jì)算過(guò)程中滑移面分布情況。各工況下邊坡安全系數(shù)均大于2.0，說(shuō)明本次降雨雖然會(huì)使安全系數(shù)下降，但最終發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)較小。

2.4 排水設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

為有效應(yīng)對(duì)渠道運(yùn)行期間出現(xiàn)的滲漏問(wèn)題，且能應(yīng)對(duì)極端降雨條件，增強(qiáng)渠道襯砌層的抗浮穩(wěn)定性，需提高堤身內(nèi)部地下水的排出能力。

在渠坡防滲結(jié)構(gòu)（土工膜）下方設(shè)置10 cm厚的排水墊層，排水墊層由強(qiáng)透水性的砂礫料或中粗砂構(gòu)成，此時(shí)可形成排水墊層與既有逆止閥的聯(lián)合作用。同時(shí)，該方案可保證渠道全斷面防滲，減小沿程水頭損失。

對(duì)優(yōu)化后的排水方案選擇最不利的前鋒型和均勻型降雨條件進(jìn)行滲壓數(shù)值模擬計(jì)算。選擇降雨結(jié)束時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行渠道內(nèi)部滲壓分析，如圖9所示?？芍瑑?yōu)化排水設(shè)計(jì)后，浸潤(rùn)線（圖9中虛線）下方襯砌結(jié)構(gòu)的最大總水頭均在2.69 m以內(nèi)，因此襯砌板會(huì)在降雨條件下保持穩(wěn)定。計(jì)算表明，在防滲結(jié)構(gòu)下方設(shè)置排水墊層的設(shè)計(jì)方案是合理可行、效果顯著的。

3 結(jié) 論

針對(duì)高地下水位渠道在不同類(lèi)型強(qiáng)降雨下內(nèi)部結(jié)構(gòu)性態(tài)的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了深入分析，得到以下結(jié)論：

（1）滲流分析表明，渠道內(nèi)部滲壓對(duì)不同降雨類(lèi)型的響應(yīng)規(guī)律是不同的，其中前鋒型和均勻型降雨對(duì)應(yīng)的滲壓增長(zhǎng)速度較快，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞力較強(qiáng)。在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這兩種降雨類(lèi)型。同時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)下不同位置的滲流響應(yīng)有較大差異，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)此情況進(jìn)行充分分析。

（2）隨降雨的持續(xù)，各種降雨類(lèi)型條件下邊坡安全系數(shù)均表現(xiàn)為降低。因此，降雨會(huì)增大渠道邊坡發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)，同時(shí)前鋒型和均勻型降雨條件下發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)大于其他兩種雨型。

（3）在襯砌結(jié)構(gòu)下方設(shè)置砂礫石墊層可有效增強(qiáng)高地下水渠道的排水能力，從而達(dá)到提高渠道襯砌層抗浮穩(wěn)定性的目的。所提改進(jìn)方案可供其他高地下水位渠道的邊坡與滲控設(shè)計(jì)參考。

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