南水北调工程高潜水强透水地基渠道施工期渗流及降排水研究.pdf

西 北水 电 2 0 1 4年 第 5期 4 9 文章编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 4) 0 5 0 0 4 9 0 4 南水 北调工程 高潜水 强透水地基渠道 施 工期渗 流及 降排水研 究 王丹妮， 周丹顺， 杨静安， 王小可 ( 中国电建集团西北勘测设计研 究院有限公 司， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要 ： 采用三维有限元方法对南水北调工程温博段渠道开挖过程、 排水渗流及边坡渗透稳定情况进行了研究分 析。计算结果显示 ： 渗流会对明渠边坡的稳定性带来不利影响， 随着开挖深度的增加， 地下水位的重新调整， 明渠 边坡不断地产生渗流。渗流产生的渠底水压力和渗透压力对边坡的稳定不利， 且影响明渠的正常施工， 必须采取 有效的排水措施， 来降低地下水位。在保证明渠边坡开挖过程中的稳定和明渠干地施工的前提下， 研究了排水井 间距、 深度、 砂层厚度对渠道内外水头差的影响， 为明渠的施工提供依据和参考。 关键词 ： 有限元； 渗流； 降排水 中图分类 号 ： T V 1 3 9 1 ： T V 6 8 文献标识码 ： A S t ud y o n Se e pa g e a nd De wa t e r i n g o f Fo un da t i o n wi t h Hi g h Phr e a t i c W a t e r a nd Se e pa g e d u r i n g C a n a l C o n s t r u c t i o n ， S o u t h t o N o r t h Wa t e r D i v e r s i o n P r o j e c t WANG D a n n i ，Z HOU Da n s h u n，YAN G J i n g a n， WANG Xi a o k e ( P O WE R C H I N A X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L t d ， X i a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y a p p l i c a t i o n o f 3 D fi n i t e e l e me n t me t h o d， e x c a v a t i o n p r o c e s s ，d e w a t e r i n g a n d s e e p a g e ，an d s l o p e s e e p ag e s t a b i l i t y o f t h e c a n al a t We n b o s e c t i o n ， s o u t h t o n o r t h w a t e r d i v e r s i o n p r o j e c t ， a r e s t u d i e d and ana l y z e d T h e c al c u l a t i o n s h o w s t h a t t h e s e e p a g e m a y r e s u l t i n a n f a v o r ab l e i mp a c t t o t h e s l o p e s t a b i l i t y o f t h e o p e n c an a 1 Wi t h t h e i n c r e a s e o f th e e x c a v a t i o n d e p t h an d t h e r e - a r r an g e me n t of t h e g r o u n d wa t e r t ab l e，t h e o pe n c an a l s l o p e c o n t i nu o us l y o c c u r s e e page Th e wa t e r p r e s s ur e a t t h e c a n al b o t t o m an d t h e s e e page pr e s s u r e c a us e d b y t h e s e e p age u n f a v o r a b l y i mp a c t t h e s l o p e s t ab i l i t y a s w e l l as t h e n o r m a l e x c a v a t i o n o f t h e o p e n c a n a 1 Th e r e f o r e ， t h e e f f e c t i v e de wa t e r i n g me asu r e s s h a ll b e t a k e n t o l o w e r t h e gro u n d w a t e r t a b l e I n p r e c o n d i t i o n o f a s s u rin g the s l o pe s t ab i l i t y o f t h e o p e n c an a l d u r i n g e x c a v a t i o n a n d t h e e x e a v a t i o n of t h e c an a l i n d r y c o n d i t i o n， i m p a c t s o n t h e h e a f 1 d if f e r e n c e i n s i d e an d o u t s i d e t h e c a n a l c a u s e d b y s p a c i n g ，d e p t h a n d s an d l a y e r t h i c k ne s s o f t h e d e wa t e r i n g we l l s are s t u d i e dTh i s pr o v i d e s t h e o p e n c an al c o n s t r u c t i o n wi t h basi s a n d r e f e r e nc e Ke y wo r d s ： fi n i t e e l e me n t ；s e e p ag e ；d e w a t e r i n g 1 工程概况 南水北调 中线工程线路总长 1 2 7 2 k m， 穿越黄 、 淮 、 海及长江 四大水系， 其规模之大举世瞩 目。中线 一 期工程总干渠黄河北 一美河北段 ， 起点位 于河南 温县境内的穿黄工程末端 ， 终点位 于河南 汤阴县境 内的羡河倒虹 出E l ， 全段总长 1 9 5 2 4 9 k ml 1 1 。直管 项 目温博段 ( 桩号 1 V0 + 0 0 0 1T I 1 V9 + 1 6 0 13 1 ， I V1 0 + 5 4 0 mIV2 8 + 5 0 0 m) ， 渠道过水 断面为梯形断面 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 3 l 1 2 0 作者简 介 ： 王丹妮 ( 1 9 8 6 一) ， 女 ， 陕 西省户县 人 ， 助理 工程师 ， 从 事施工组织设计工作 内坡一级坡为 1： 2 0 ， 起点渠底高程 为 9 9 9 4 5 m， 终点渠底高程为 9 9 4 3 8 i n， 渠道纵坡为 1 2 9 0 0 0 ， 设计底宽为 2 1 in。 本文选择温博段 标作 为计算段 ， 地层 主要分 3层 ， 分别为上部黏土层 、 中部砂层 、 下部相对不透 水层。渠外远源水位 9 9 01 0 3 5 i n ， 中间砂层分 布不均匀 ， 砂层顶高程从 8 8 0 In到 9 4 0 m。该段 地质参数见表 1 。 表 1 温博段 标地质条件汇总表 总结 ： 材料渗透 系数大 ， 潜水位高 ， 砂层分布不均匀 5 0 王丹妮 ， 周 丹顺 ， 杨静安 ， 王 小可 南水北调 工程 高潜水强透水地基 渠道施 工期渗 流及 降排水研 究 由表 1可知 ， 该渠道段地基属高潜水强透水 ， 且 砂层分布极不均匀 ， 施工阶段考虑到渠道渗流是否 稳定 ， 能否保证干地要求的问题 ， 因此对该渠道段作 了施工期渗流计算及降排水研究。 2 渗流计算原理及公式 国 内外学者对渗流进行 了大量的计算方法研 究 ， 通常采用扩散方程 、 布辛 内斯克方程 、 固结方程 及拉普拉斯方程等几种型式_ 2 J 。 2 1 渗流计算模型 根据达西渗透定律及水流连续性方程， 稳定渗 流的基本微分方程 可表示为 ： )+ )+ d 1 -1 ) ( 1 ) 在推导岩体渗透张量时， 可以得 到某渗流区域 内的渗流能量 的表达式为 ： ) = ( k x d 1 4 ) + ( k y o d r v -1 ) + ( ： ) l d d y d ( 2 ) 在渗流场分析时 ， 必须满足定解条件 的存在性 、 解的唯一性以及稳定性 3个条件。满足了上述 3个 条件 的问题称为适定问题。根据边界条件和变分原 理 ， 上述定解问题等价于求能量泛函的极值问题 ， 如 公式 ( 3 ) ： ， ( H) 1 0 ( o d 1 -1 ) + ( a d t -1 ) + ( ： ) d x d y d z - g日 d sj m in l( 3 ) H( ， y ， z )I S l = ( ， ， )J 根据研究区域的水文地质结构 ， 进行渗流场离 散化 ， 即 ： Q=Q ( 4 ) 对公式 ( 4) 取其变分等于零 ， 并对各子 区域迭 加 ， 可得到由有限元法求解渗流场的方程式： H= F ( 5 ) 式中： 为整体渗透矩阵； 日 为各节点水头值。 2 2 渗流量计算 渗流量是指通过某一指定过水断面的流量 。若 指定过水断面是由一系列平 面单元组成， 则通过该 过水断面的流量为 ： g = 筹d S ( 6 ) 式中： A为给定平面 ； K和 分别为给定平 面外法 向渗透系数和水头坡降。 对 四面体单元而言 ， 指定过水断面一般取在各 四面体单元的中断面 ， 即通过四面体三棱边的中点 ， 也即通过单元形心。 对等参单元计算流量时， 将公式 ( 6 ) 变换为对 局部坐标的求导和积分 。再利用高斯积分式进行数 值积分 ， 则式( 6 ) 变为 ： q = g ( 叼 ， ) ( 7 ) 式 中： q ( 7 ， ) 为被积函数 ； n为积 分点数； H 为加 权系数。 3 计算模型 3 1 计算模型 计算模型沿渠道轴线， 在长度方 向上取相邻 2 组排水井的抽 降水影响单元 ， 两岸范围取 2倍渠道 的宽度 。网格生成借助 MI D A S G T S前处理程 序， 有限元模型采用八结点六面体单元为主。为了边界 和土层结构的过渡 ， 局部辅之以退化的棱柱体单元 。 模型见 图 1 。坐标系规定 ： 垂直水 流 向指 向右岸为 正方 向； 顺水流向指 向上游为 z正方向； 竖直 向上 为 y正方 向。取 2个抽水井 中间位置渠道横断面作 为重点研究 ， 分析渠道底板处的压力水头 ， 判断其可 满足施工要求。 3 2边界 条件 根据地质资料选取渠外潜水位高程， 作为模型 左、 右岸边界的远源定水头边界。在渠道轴线 2个 截面边界上 ， 因取到 2个抽水井的中线位置 ， 设为不 透水边界 ， 模型底部设为不透水边界。渠道表面上 ， 设为可能出渗边界 ； 排水井井 内水位 以下定为水头 边界， 以上部分为可能出渗边界。 3 3 计 算工 况 根据砂层顶高程不同确定 2种工况 。 ( 1 )砂层顶高程为 8 8 0 I n ； ( 2 )砂层顶高程为 9 4 0 m。 5 2 王丹妮 ， 周丹顺， 杨静安， 王小可 南水北调工程高潜水强透水地基渠道施工期渗流及降排水研 究 4 2工 况 2 4 2 1 排水井深度敏感性分析 选取渠外水位 1 0 3 5 m， 保证井 底高程不变的 前提下 ， 抬高井内水位高程 ， 并调整承压水位来研究 单井抽水量及 明渠内压力水头 ， 分别选择井 内控制 水位为 9 2 0 0 、 9 4 0 0和 9 8 0 m进行三维渗流计算 ， 计算成果统计见表 4 。 表 4 工况 2排水 井深度敏 感性 分析 表 项 目 方案 承压 高程 抽 程 井 内 ( m 3 渗透 h - 量 1 ) 渠底压力 mm 水头 m 工 1 9 2 O 0 3 5 2 0 2 况 2 1 0 3 5 0 9 4 O 0 2 6 0 8 1 2 3 9 8 O 0 1 8 1 21 从计算结果来看 ， 当井 内抽水水位抬升 ， 导致渠 底 的压力水头增加 ， 渠道开挖不能满足干地施工要 求。而方案 1 渠底压力水头为 一 2 0 2 m， 渠底压力 水头较小 ， 可满足渠底干地施工要求。 4 2 2 排水井数量敏感性分析 选取渠外水位 1 0 3 5 m方案进行井间距敏感性 分析 ， 本段渠道排水井 间距为 2 5 m， 考虑排水井尺 寸 ， 2个排水井影响范围为 5 0 m， 并且把渠道轴线上 2个截面边界定为不透水边界 ， 根据上述计算 ， 单井 排水量为 3 5 m h ， 那么单位长度上的渗透量为 1 4 m h 。在控制渠道底部压力水头为负值 的情况下 ， 就排水井的数量通过间距变化进行分析， 具体见表 5 。代表方案的计算结果见 图3 。 表 5 工 况 2排水 井数量敏感性分析表 项 目 方案 排水 间距 单 渗 h - 透 1 ) 量 单 ( m 井 3 排 水 h- 量 1 ) m m 备注 I 工 1 2 5 1 4 0 3 5 0 况 2 3 0 1 4 0 4 2 0 代表方案 2 3 3 5 1 4 0 5 1 0 oo o o 2 6 2 3 2 5 24 6 3 7 8 6 9 5 1 0 4 9 2 7 图 3 工况 2典型横断面压力水头云图 单位 ： I l l 由于单位长度的渗透量一定 ， 排水井间距越小 ， 那么每个井所分担 的渗水量就越小。对于本段 ， 由 于承压水砂层位于底板 以下约 5 3 m， 中间隔着相 对不透水的黏土层 ， 因此本段排水井的间距对排水 效果影响较大 ， 需要配备更大的抽水设备才能满足 要求 。因此 目前推荐的2 5 m问距方案是合适的 ， 可 以满足正常施工要求 。 从渗透坡降也可看出， 在渠道边坡底部渗透坡 降最大值为0 1 4 ， 小于砂层的临近破坏坡降， 可见 边坡在降排水施工期是稳定的。 5 结语 ( 1 )渠道地层 中的砂层出露高度对渗水量影响 较大 ， 通过对砂层顶高程为 8 8 0 m及 9 4 0 m对 比， 排水井间距 同为 3 0 0 m时， 渗水量分别为 1 6和 4 2 m h 。考虑计算是选取 2个极端工况进行 的， 根据 地质资料分析的砂层厚度及出露高程 ， 通常情况下 ， 采用间距 3 0 m的排水井 ， 配备 2 5 0 m h的抽水设 备均可满足施工要求。 ( 2 )通过敏 感 性分 析， 当排水 井 内水位 同为 9 2 0 m高程 时， 渠 外水位 分别为 1 0 3 5 、 1 0 0 0 m 时， 可使渠底及边坡的压力水头为负值 ， 施工工作面 无地下水渗出， 满 足干地施工要求。对 于类似金城 化工厂生产桥段的砂层 出露较高的地段 ， 可采用缩 小排水井问距为 2 5 0 m的方法来降低单井渗水量 。 ( 3 )考虑主要控制 因素进行敏感性分析 ， 得出： 当渠外地下水位高程降低时， 井内渗水量减少 ， 渠底 水压力降低 ， 更有利于排水。井 间距直接决定 了单 井的抽水量 ， 井布置越密 ， 抽水量越小。通过对井 内 抽水水位控制可知 ， 抽水水位高程越高， 井 内抽水量 小 ， 但渠底的压力水头越大 。 ( 4 )业主提供 的施工阶段降水方案： 降水井沿渠 道轴线单排布置 ， 间距 2 5 3 5 m， 井深 2 5 3 5 m， 降 水井内布置 3 k W 潜水泵抽水。本文 目前推荐的 3 0 m排水井深度及平均 3 0 m 的间距满足干地施工要 求， 与工程实际施工方案相符 ， 且满足干地施工要求。 ( 5 )施工期实施的降排水方案 ， 开挖边坡渗透 坡降满足要求 ， 开挖边坡整体稳定。 参考文献 ： 1 D E S A I C S F r e e s u r f a c e s e e p a g e t h r o u g h f o u n d a t i o n a n d b e r m o f c o f f e r d a m s J I n d i a n G e o t e c h n i c a l J o u rna l ， 1 9 7 5 ， 5 ( 1 ) ： 1 1 0 2 毛昶熙 渗流计算分析与控制 M 北京： 中国水利水电出版 社 ， 2 0 0 3： 3 0 6 3 1 8 3 胡静 水 工结 构 中含 排水 孔渗 流场 的分析 方法研 究 D 武 汉 ： 武汉大学水利水电学院 ， 2 0 0 3 4 廖成栋 南水北调 中线 一期工程 总干渠李 河渠道 倒虹 吸基坑 降水方案 J 科 技与生活 ， 2 0 1 1 ， ( 1 1 ) ： 1 2 8 5 高丹盈 南水北调大 沙河渠道 排水非稳定 渗流计算 分析 J 郑州大学学报 ， 2 0 1 0 ， ( 5 ) ： 2 7 - 3 1 6 D L T 5 0 5 7 1 9 9 6， 水工混凝土结构设计规范 S 北京 ： 中国电 力出版社 ， 1 9 9 6 。 7 D L T 5 3 9 7 2 0 0 7， 水电工程施 工组织设计规 范 s 北京 ： 中国 电 力出版社 2 0 0 7 兰 一 睦 瞻 睦 畦