不同降雨類型下高地下水位渠道性態數值模擬研究

陳輝 張延億 馬吉剛 鄧剛 趙守勤 李來祥

摘 要：為解決高地下水位渠道在遭遇強降雨時容易發生襯砌破壞的問題，深入研究了不同降雨條件下高地下水位渠道內部結構性態的響應規律?；诜秋柡蜐B流理論，對4種不同降雨類型條件下渠道內部的滲壓（總水頭）情況進行了分析研究，得出對襯砌結構安全最不利的降雨類型是前鋒型降雨和均勻型降雨。在滲流分析的基礎上，基于Morgenstern-Price法對渠道邊坡進行了穩定分析，結果表明隨降雨的持續，各種降雨類型條件下邊坡安全系數均表現為持續減小。同時前鋒型和均勻型降雨條件下發生滑坡的風險大于其他兩種雨型。因此，從滲流和邊坡穩定計算角度看，應重點關注前鋒型和均勻型降雨。在此基礎上，對渠道排水設計進行了優化改進，所提方案可有效降低渠道內部的滲流壓力。

關鍵詞：降雨類型;滲流;邊坡穩定;高地下水位;渠道

中圖分類號：TV91

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.023

引用格式：陳輝，張延億，馬吉剛，等.不同降雨類型下高地下水位渠道性態數值模擬研究[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、長距離供水或灌溉渠道的布置和結構設計中，受地形地質條件等的影響，常遇到渠道穿越高地下水位區域的情況。高地下水位對渠坡和襯砌結構的穩定性均可能產生一定的影響，而降雨又是影響高地下水位渠道邊坡和襯砌結構安全的重要因素之一。大量研究者已對降雨引起的邊坡滲流特性及穩定性變化進行了深入研究，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定性分析方法;蔣中明等[2]利用FLAC3D軟件進行了邊坡三維非飽和降雨入滲分析;張珂峰[3]利用Geostudio軟件模擬了三峽庫區某邊坡在庫水位驟降及庫水位驟降聯合降雨條件下的滲透穩定性規律;曾鈴等[4]提出一種基于飽和-非飽和滲流及非飽和抗剪強度理論的路堤邊坡穩定性分析方法;李斌等[5]采用穩定滲流和非穩定滲流三維有限元模擬技術，對南水北調中線一期穿黃工程南岸渠道高邊坡滲流狀態進行了計算分析。但針對高地下水位渠道的降雨入滲問題的研究較少。當前一些高地下水位渠道缺少相應的排水系統，在強降雨條件下會產生較大的揚壓力，使渠道襯砌結構發生破壞[6]。例如：南水北調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重影響了渠道襯砌結構的穩定性[7]。

采取工程措施消除地下水對渠道襯砌板的不利影響是渠道設計的一項重要內容。為了更科學地研究高地下水位對渠坡和襯砌結構的影響，計算不同降雨類型（前鋒型、中鋒型、后鋒型、平均型）下渠道邊坡與襯砌結構的響應規律，得到邊坡內部不同位置的孔壓、安全系數等隨降雨歷程的變化規律，并對渠道襯砌結構設計提出優化方案。

1 數值模擬計算原理

1.1 非飽和滲流理論

非飽和滲流計算控制方程為

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;Q為邊界流量;γw為水的容重;t為時間;mw為土-水特征曲線的斜率。

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

θw=θs{ln[e+（φa）n]}-m（2）

式中：a為進氣值，主要取決于孔隙的尺寸;n為當基質吸力超過土的進氣值時土中流出率函數的土性參數;m為殘余含水量函數的土性參數，與特征曲線的整體對稱性相關;φ為基質吸力;θw為體積含水率;θs為飽和體積含水率。

滲透系數曲線采用如下表達式[9]：

kw=ksΘp（3）

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

1.2 邊坡穩定計算原理

當完成非飽和滲流計算之后，將滲流計算結果耦合并進行邊坡穩定計算。邊坡穩定計算采用Morgenstern-Price法[10]。

Fredlund等提出的非飽和土抗剪強度公式[11]為

τ=c′+（σn-ua）tan φ′+（ua-uw）tan φb（4）

式中：τ為非飽和抗剪強度;c′為有效黏聚力;φ′為有效內摩擦角;σn-ua為凈法向應力;ua-uw為基質吸力;φb為基質吸力對抗剪強度的影響所對應的摩擦角。假定在降雨過程中土體抗剪強度參數保持不變。

2 工程實例

2.1 工程概況

某供水渠道運行20多a后，沿線地下水位發生不同程度的變化，對于地下水位發生上漲的渠段，因缺少相應的排水系統而產生較大的揚壓力，使渠道襯砌結構發生破壞。因此，對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排的方案。當地下水位高于渠道水位時，逆止式閥門開啟，將地下水排至輸水渠內，反之閥門關閉。渠道典型斷面設計如圖1所示。在正常運行過程中，該段渠道地下水位為2.60 m左右，渠道內水位為2.60～3.00 m。

為了優化排水方案，對強降雨條件下渠道內部結構性態響應進行數值模擬分析。

2.2 計算模型

（1）計算模型及邊界條件設置。計算模型如圖2所示。地表面設置為降雨流量邊界;渠道全斷面防滲，認為不透水。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。網格尺寸設置為0.1 m，網格數量為21 616個，節點個數為21 909個。

選取襯砌結構以下3個典型節點（見圖2標記位置）進行分析。

土體力學模型參數見表1。

（2）土水特征曲線。滲流分析過程中的土水特征曲線和對應的滲透系數曲線如圖3所示。

（3）降雨過程。降雨強度參考該渠段所在區域50 a以來最強降雨。降雨類型分別為前鋒型、后鋒型、中鋒型及均勻型，總降雨量均為286 mm，降雨時間持續33 h。不同降雨類型的降雨過程如圖4所示。

2.3 計算結果分析

2.3.1 滲壓計算結果分析

襯砌板的抗浮穩定系數通過下式求取[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Δh≥0.09 m時才能保證襯砌板的安全。

渠道內水位為2.60 m時襯砌板底部總水頭不能超過2.69 m，否則襯砌板將在上下壓差的作用下發生隆起破壞。

選擇降雨結束時間節點進行渠道內部滲壓分析，如圖5所示?？芍?，各種雨型條件下，浸潤線（圖5中虛線）下方襯砌結構的最大總水頭均在2.70～2.80 m之間，超過了2.69 m的臨界水頭，因此襯砌板將在降雨的作用下發生破壞。

為研究各雨型對襯砌結構影響的差異，分析襯砌板下典型節點1、2、3所在位置總水頭隨降雨過程變化的規律，如圖6所示。

可知，在降雨過程的前31 h各對應時刻典型節點總水頭的大小規律是前鋒型>均勻型>中鋒型>后鋒型，后2 h的總水頭大小規律是均勻型>前鋒型>中鋒型>后鋒型。因此，對襯砌結構最不利的降雨過程是前鋒型降雨和均勻型降雨。

同時，在降雨過程中幾種降雨工況下典型節點1的總水頭在降雨后期都超過了2.69 m，因此節點1所在位置的襯砌結構可能發生破壞。而在均勻型和前鋒型降雨條件下節點2位置可能發生破壞，節點3位置則相對安全。

綜上所述，由高地下水位內部滲流情況可知，不同降雨類型的降雨所帶來的渠道內部滲壓響應規律是不同的，其中前鋒型和均勻型降雨對應的滲壓增長速度較快，對襯砌結構的破壞力較強。因此，在設計計算中應重點關注這兩種降雨類型。同時，襯砌結構以下不同位置的滲流響應也有較大差異，在設計中也應對此情況進行充分分析。

2.3.2 邊坡穩定計算結果分析

隨著降雨的持續，各種降雨類型條件下邊坡安全系數均降低（見圖7），說明降雨會增加渠道邊坡發生滑坡的危險。在降雨過程前31 h各時間點安全系數的大小規律為前鋒型<均勻型<中鋒型<后鋒型，最后2 h安全系數的大小規律為均勻型<前鋒型<中鋒型<后鋒型，因此前鋒型和均勻型降雨條件下發生滑坡的風險大于其他兩種雨型。造成這種現象的主要原因是前鋒型和均勻型降雨在降雨過程中孔隙水壓力增大的速度比其他兩種雨型的快。

圖8為降雨結束后各降雨類型下邊坡穩定安全系數及計算過程中滑移面分布情況。各工況下邊坡安全系數均大于2.0，說明本次降雨雖然會使安全系數下降，但最終發生滑坡的風險較小。

2.4 排水設計方案優化研究

為有效應對渠道運行期間出現的滲漏問題，且能應對極端降雨條件，增強渠道襯砌層的抗浮穩定性，需提高堤身內部地下水的排出能力。

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

對優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行滲壓數值模擬計算。選擇降雨結束時間節點進行渠道內部滲壓分析，如圖9所示。可知，優化排水設計后，浸潤線（圖9中虛線）下方襯砌結構的最大總水頭均在2.69 m以內，因此襯砌板會在降雨條件下保持穩定。計算表明，在防滲結構下方設置排水墊層的設計方案是合理可行、效果顯著的。

3 結 論

針對高地下水位渠道在不同類型強降雨下內部結構性態的響應規律進行了深入分析，得到以下結論：

（1）滲流分析表明，渠道內部滲壓對不同降雨類型的響應規律是不同的，其中前鋒型和均勻型降雨對應的滲壓增長速度較快，對襯砌結構的破壞力較強。在設計計算中應重點關注這兩種降雨類型。同時，襯砌結構下不同位置的滲流響應有較大差異，在設計中應對此情況進行充分分析。

（2）隨降雨的持續，各種降雨類型條件下邊坡安全系數均表現為降低。因此，降雨會增大渠道邊坡發生滑坡的危險，同時前鋒型和均勻型降雨條件下發生滑坡的風險大于其他兩種雨型。

（3）在襯砌結構下方設置砂礫石墊層可有效增強高地下水渠道的排水能力，從而達到提高渠道襯砌層抗浮穩定性的目的。所提改進方案可供其他高地下水位渠道的邊坡與滲控設計參考。

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【責任編輯 張華巖】