5催皓东-南水北调中线总干渠渗控数值模拟-邯郸会议

表2 淅川某典型渠段渗透系数
编号
1 2 3
地层
粉质粘土(0~3m) 粉质粘土(3~7m) 粉质粘土(7m以下)
渗透系数(cm/s)
1.0×10-4 5.0×10-5 5.0×10-6
4
5 6 7 8 9
粉质粘土
粘土 砂垫层 •换填土（膨胀土坡） 混凝土衬砌板 •排水板/透水缝
1.2×10-6
8.0×10-7 1.0×10-3 1.0×10-5 1.0×10-11 1.0×10-1
•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。
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）
0.25 最大压力水头差(m) 0.20
压力水头差(m)
0.20 0.16
0.15 0.10 0.05 0.00 F1 0.10
n
0
,h<z
K
h
b' c
排水孔
d
图1.2 排水孔的渗流行为
Δ
Ω1
z0
c
h=z 0
d'
Δ
h
渗流 自由面
Δ
b
a
0
b
开关器 逆止阀
n
实体单元 排水孔
n
≤0
排水孔
a'
b'
图1.4 逆止阀有限元网格
图1.3 逆止阀数学模型
1.3 复杂渗流场精细求解技术及程序
水工及岩土工程渗流场数值计算模型 介等 质效 模连 型续
最优方案；
• 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）
南水北调工程技术交流会-邯郸
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
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
Practical
面渗 处流 理自 由
的密 精集 细排 模水 拟孔 幕
隙复 ）杂 的断 模层 拟（ 裂
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）
（二）南水北调中线典型渠段渗控措施及优化研究
•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
图 2.1 淅川某典型段模型地质横剖面
有限元模型
A 、整体三维有限元模型网格（局部）
B、逆止阀
c、渠坡排水井
图2.2
模型三维有限元网格
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 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 参数说明 备注
浆砌石拱加植草护坡 166.718
.0 172.718 1:3 0 . 1:3 i=1/500
防洪堤 181.678 0 178.718 1:3.
防护林带 保护围栏 截流沟
190 180
高 程
（
植草护坡 160
排水管
集水井 浆砌石拱加植草护坡 150 140 130 120
米
）
8cm厚C20混凝土板 10cm厚C20混凝土板 复合土工膜 复合土工膜 25厚粗砂垫层 150厚换土层 25厚粗砂垫层 150厚换土层
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,2005.1 3.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)
Δ
Δ
E
逸出面
1.2 排水孔（逆止阀）的精细模拟方法
排水孔渗流行为的数学描述及模型处理
a a'
Ω2
h
接孔实单元 逆止阀
（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；
2.4.3 比较方案2 渗控效果
（本方案取消土工膜和逆止阀）
（1）透水缝方案比排水板方案渗控效果更好；
155.0 146.938 148.0
中膨胀性粘土 粉质粘土 钙质结核粉质粘土 粉质粘土
135.0
147.0 148.0 160.0 161.0
149.0 115.0 150.0 151.0 152.0 153.0 154.0 155.0
156.0
157.0
158.0
159.0
162.0
钙质结核粉质粘土
1350 2931 500 1500 200 1500 200 1500 5000 1800 200 1800 200 888 250 800 250
浆砌石拱加植草护坡
5 :2. 160.718 1 .5 1500 浆砌石拱加植草护坡 154.718 1:2 2.5 1: 设计水位 146.938 148.718 i=1/500 .0 浆砌石拱加植草护坡 1:3 138.938 集水井 沥青砼路面 排水管
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 排水板渗透系数取1.0×10-2cm/s，其余条件同F4； 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； 排水板渗透性降低 采用透水衬砌
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 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
149.0
150.0
钙质结核粉质粘土
95.0
X(m) 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 240.0 260.0
F2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 （本方案采用排水板代替砂垫层）
3.2 主要建议 （1）在设计中应考虑运行期（排水板或砂垫层）於堵的可 能性及采取相应措施；
（2）考虑到降雨和地下水变动情况，在高地下水膨胀土挖 方渠段，为保证膨胀土渠坡长期稳定性，渠坡排水井的设置 是必要的；
（3）渗控方案的选择需从安全、经济和便于施工的角度综 合考虑。
欢迎各位专家批评指正！
155.0
中膨胀性粘土 粉质粘土 钙质结核粉质粘土
138.938
135.0
139.0 140.0 141.0 151.0 152.0 153.0 154.0 155.0 156.0 157.0
粉质粘土
158.0
159.0
142.0 115.0 143.0 144.0
145.0
146.0
147.0
148.0
0.15 0.11
0.10
0.05
0.04
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
方案
（三）主要结论及建议
3.1 主要结论 （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；
（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。
1. 1基于固定网格的无压渗流场自由面模拟方法
1.1 基于固定网格的节点虚流量法
G F Ω2
自由面
[ K ]{h} {Q} {Q2 } {Q}
[Q] [ K 2 ]{h}
（1.1）
h1
A
X3 Ω1 B
D h2 C X1
图1 堤坝渗流计算理论模型
图1.1堤坝渗流理论计算模型
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)
•2.4 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
Z(m)
运行期渠底最大压力水头差为0.10m
排水井 粉质粘土 粘土 粉质粘土 自由面 排水井
逆止阀间距10m；上游边界与渠坡的距离为600m；渠内边界条 基本方案运行期渗控 件按146.938m；排水垫层厚度25cm且渗透系数为1.0×10-3cm/s， 效果 渠坡设置排水井，其余参数见表1； 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 渠底井字型及渠坡人字型排水板间距4m且渗透系数为1.0×101cm/s；其他同F1； 排水板代替砂垫层