催皓东-南水北调中线总干渠渗控数值模拟-邯郸会议

南水北调中线高地下水

膨胀土渠段渗控优化及效果研究汇报人：崔皓东长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室2012.03.14南水北调工程技术交流会-邯郸主要汇报内容（一）三维复杂渗流场数值计算方法简介（二）南水北调中线典型渠段渗控优化及效果研究1.研究目的及方案简介2.典型挖方渠段渗控措施效果及优化研究3.主要结论及建议1.1基于固定网格的节点虚流量法图1.1堤坝渗流理论计算模型2.张乾飞,吴中如.有自由面非稳定渗流分析的改进截止负压法[J].岩土工程学报,2005.13.崔皓东,朱岳明.有自由面渗流分析的改进节点虚流量法[J].武汉理工大学学报,2009.33(2)1.速宝玉,朱岳明.不变网格确定渗流自由面的节点虚流量法[J].河海大学学报,1991,19(5)

1.1基于固定网格的无压渗流场自由面模拟方法（1.1）排水孔渗流行为的数学描述及模型处理图1.2排水孔的渗流行为1.2排水孔（逆止阀）的精细模拟方法实体单元逆止阀图1.3逆止阀数学模型逆止阀图1.4逆止阀有限元网格水工及岩土工程渗流场数值计算模型渗流自由面处理密集排水孔幕的精细模拟复杂断层（裂隙）的模拟等效连续介质模型三维渗流场数值模拟程序SSC3D2.0（已成功用于堤防、大坝、地下厂房洞室群等工程）1.3复杂渗流场精细求解技术及程序Practical

2.1研究目的高地下水、深挖方（最深超40m）、地层分布差异明显；渗流问题是影响渠道衬砌及渠坡稳定最关键因素之一；渠道渗控措施需从安全、经济及易施工和管理等角度选择最优方案；（二）南水北调中线典型渠段渗控措施及优化研究2.2研究思路A基本方案：衬砌板+土工膜+砂垫层+逆止阀B比较方案1：衬砌板+土工膜+排水板+逆止阀（挖方坡面上垫层材料铺设困难、衬砌板易产生裂缝、施工程序复杂、对排水垫层材料质量要求严格且造价较高等诸多因素）C比较方案2：衬砌板设透水缝+透水板（缝下）（高地下水深挖方段，若地下水质有保证条件下，取消土工膜和逆止阀）2.3模型说明取渠道中心线一侧建模，模型上游边界范围的取值受地层渗透影响较大，取远端边界与渠顶的距离为600m，取地表高程为181.0m，运行期渠水位为146.938m，检修期取渠底高程为138.938m；模型底部隔水边界至90m高程，模型左右对称面及底部均取为隔水边界，开挖渠坡为可能出渗面边界。图2.1淅川某典型段模型地质横剖面

图2.2模型三维有限元网格A、整体三维有限元模型网格（局部）B、逆止阀c、渠坡排水井有限元模型图2.3衬砌下排水板网格(比较方案1）图2.4透水缝下排水板网格(比较方案2）表1淅川某典型挖方段计算方案方案参数说明备注F1逆止阀间距10m；上游边界与渠坡的距离为600m；渠内边界条件按146.938m；排水垫层厚度25cm且渗透系数为1.0×10-3cm/s，渠坡设置排水井，其余参数见表1；基本方案运行期渗控效果F2渠内按底板高程138.938m为定水头边界条件，其他条件同F1；检修期渗控效果F3渠底井字型及渠坡人字型排水板间距4m且渗透系数为1.0×10-1cm/s；其他同F1；排水板代替砂垫层F4渠内按底板高程138.938m为定水头边界条件，其余条件同F3；检修期渗控效果F5排水板渗透系数取1.0×10-2cm/s，其余条件同F4；排水板渗透性降低F6取消土工膜和逆止阀，衬砌透水缝间距4m×4m且缝下设置排水板，取缝渗透系数为1.0×10-1cm/s；其他同F1；采用透水衬砌F7渠内按底板高程138.938m为定水头边界条件，其余条件同F6；检修期F8透水缝渗透系数取1.0×10-2cm/s，其余条件同F7。排水板渗透性降低

表2淅川某典型渠段渗透系数编号地层渗透系数(cm/s)1粉质粘土(0~3m)1.0×10-42粉质粘土(3~7m)5.0×10-53粉质粘土(7m以下)5.0×10-64粉质粘土1.2×10-65粘土8.0×10-76砂垫层1.0×10-37换填土（膨胀土坡）1.0×10-58混凝土衬砌板1.0×10-119排水板/透水缝1.0×10-12.4各方案计算成果分析及比较2.4.1基本方案渗控效果

F1为初设运行期方案，自由面靠近一级平台坡脚，渠底衬砌板附近水头等值线较稀疏；F2检修期方案，出逸点在渠底坡脚处；初设方案渗控措施是合理的。F1方案运行期渠底最大压力水头差为0.10mF1方案运行期水头等值线分布(m)F2方案检修期渠底最大压力水头差为0.15mF2方案检修期水头等值线分布(m)2.4.2比较方案1渗控效果（1）与基本方案相比，排水板方案渗控效果更好；最大压力水头差降低，运行和检修期分别为0.05m和0.11m；（2）排水板渗透性降低（1.0×10-2cm/s），衬砌板下压力水头增大。检修期最大压力水头差增至0.16m；（本方案采用排水板代替砂垫层）2.4.3比较方案2渗控效果（1）透水缝方案比排水板方案渗控效果更好；

最大压力水头差降低，分别为0.04m和0.10m（2）但是，当缝下排水板渗透性降低时（1.0×10-2cm/s

）；衬砌板下压力水头增加更明显；（最大压力水头增至0.2m）（本方案取消土工膜和逆止阀）（三）主要结论及建议（1）采用排水板代替砂垫层或取消逆止阀和土工膜采用透水衬砌，渗控效果均比较显著；3.1主要结论（2）衬砌下的排水板（或砂垫层）渗透性降低时，压力水头增加明显；（3）在本模型条件下，渠坡排水井效果不明显。3.2主要建议（1）在设计中应考虑