南水北調中線焦作1段工程高填方渠道穩定性分析

王文豐

(華北水利水電大學，鄭州 450045)

京津華北平原的缺水屬于資源性缺水，僅靠節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。實施南水北調中線工程，補充水資源供應量，是實現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、支撐該地區國民經濟與社會可持續發展的重要措施[1]。

焦作1段工程是南水北調中線工程的組成部分，擔負著工程向焦作市以北河南省北部受水區及向京津冀輸水的供水任務。

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，渠線西側由北向南依次有太行山、嵩山、箕山和伏牛山脈；東側有黃、淮、海平原和唐白河平原，高程在100 m以下[2]。

總體來說，總干渠沿線地形復雜，根據南水北調中線工程主管部門工作指示，組織對工程總干渠填方高度≥6 m的填方渠道樁號、長度、渠堤填筑土料等數據進行調研統計。統計結果顯示，總干渠填方高度≥6 m的填方渠道主要位于河南省境內，其中又以焦作1段、淅川段等最為突出和關鍵。結合總干渠具有線路長、高填方渠段多、地勢地形多變及運行工況復雜的特點，為確保高填方段的高質量運行管理，并按工程主管部門有關工作安排，開展中線高填方渠段運行管理專題研究，以期掌握高填方渠道運行安全實際狀況。

鑒于篇幅，本文主要研究分析渠堤在水的滲流作用下的穩定性。

2 基于有限元計算方法

滲流問題在水工結構(如土石壩、渠道)的設計中具有十分重要的地位，極大地影響建筑物的安全與造價[3]。在目前的分析方法中，由于有限元方法能有效地處理復雜的邊界條件、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，在工程設計中被廣泛使用。

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理論，將整個區域作為分析區域并基于固定網格求解，浸潤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。通過專業的滲流計算模塊，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成，表層土以壤土、黏土、細砂及泥卵石為主，地下水埋深5～6 m。

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

渠道設計流量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。設計水位104.899 m，加大水位105.534 m。填方渠段采用混凝土襯砌以及復合土工膜(600 g/cm2)作為防滲材料。

3.2 計算模型

焦作1段典型斷面的有限元計算模型見圖1，并給出了模型整體有限元網格。

圖1 典型斷面有限元計算模型

渠道有限元計算模型中列出渠道及各層地基土層分布，并對渠道填土、各層地基土進行組元分類，可實現程序計算自動賦予滲透參數。模型中采用孔壓-位移耦合的CPE8RP單元，該單元是二維8節點平面應變單元。計算模型的節點和單元數不再詳細說明。

地基環向側面邊界條件取法向約束，根據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。

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

3.3 結果分析

由于渠道結構的對稱性，本文只作渠道左側渠堤的穩定性分析。

3.3.1 設計水位工況

1) 滲流浸潤線與渠坡逸出點。浸潤線見圖2。由圖2中可知，浸潤線位置相對不高，從渠內到渠外呈斜線分布。渠段外側無水，浸潤線在渠段內臨水側水位為104.899 m，渠段背面逸出點均位于堤腳外側，渠段左側渠坡逸出點高度為0.3 m。

圖2 穩定場分布(設計水位工況)

總體分析，渠段左側的逸出點高程較低。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。逸出段的計算滲透比降小于土的允許比降，不會發生滲透破壞。

2) 滲流穩定性分析。圖3為滲流場流速的分布。渠底第一層為黃土狀重粉質壤土，其滲透性相對于渠段回填土要大，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，滲流場流速除了在渠內水位處較大外，就是在渠底第一層土內和坡腳處最大。

圖3 流速場分布(設計水位工況)

設計水位下的渠道內水頭等勢線分布見圖4，自上而下呈均勻分布，反映出渠道均質的特點。

圖4 水頭等值線分布(設計水位工況)

3) 滲透量分析。設計水位下，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) 滲流浸潤線與渠坡逸出點。浸潤線見圖5，由圖5中可知，浸潤線位置相對設計水頭下有所提高，但仍較低地平滑從渠內到渠外呈斜線分布。渠段外側無水，浸潤線在渠段內臨水側水位為105.534于m，渠段背面逸出點均位于堤腳外側，渠段渠坡逸出點高度為0.7 m。

圖5 穩定場分布(加大水位工況)

高程較設計水位時高出一倍以上。由典型斷面在外坡腳的出逸高度計算滲透比降，出逸段滲透比降為0.31。逸出段的計算滲透比降小于土的允許比降，不會發生滲透破壞。

2) 滲流穩定性分析。圖6為加大流量工況下滲流場流速的分布。渠道和土層的整體滲流流速矢量與設計水位工況相似，僅在水位上升后，其渠內流速最大點有所升高。原因是渠底第一層黃土狀重粉質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，滲流場流速除了在渠內水位處較大外，就是在渠底第一層土內和坡腳處最大。

圖6 流速場分布(加大水位工況)

設計水位下的渠道內水頭等勢線分布(圖7)也略有升高，自上而下呈均勻分布，反映了渠道均質的特點。

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 語

通過對運行期高填方渠段的典型斷面進行滲流場計算分析，可以認為，在設計流量和加大流量的正常運行工況下，浸潤線位置不高，逸出點高程較低，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期運行情況下，外坡腳可能會出現軟化或破壞，建議對外坡腳設置排水及防護措施。