南水北调中线工程黄羑段渠道排水计算分析.pdf

第 3 5卷第 1 2期 2 0 1 3年 l 2月 人民黄河 YEL LOW RI VER V0 1 3 5 No 1 2 De e 2 01 3 【 水利水 电工程 】 南水北调中线工程黄羡段渠道排水计算分析 张 帅 ， 陈 妍 ， 马慧敏 ( 1 河南省水利勘测设计研究有限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 1 6 ； 2 河南黄河水文勘测设计院， 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要： 为解决南水北调中线工程黄河北一茭河北段渠道高地下水位渠段渠道边坡及衬砌的稳定性问题 ， 计算衬砌下地 下水的扬压力， 采用有限元法复核渠道内坡排水措施， 在稳定渗流工况与非稳定渗流工况下， 采用不同排水管间距、 粗沙 垫层厚度和渗透 系数、 基础土层渗透系数组合， 对衬砌板下水头敏感性进行分析 ， 并根据计算分析结果对高地下水位渠 段提出了衬砌排水垫层、 排水管的调整措施， 以优化排水设计， 节省工程投资。 关键词：渠道排水；渗透系数；地下水；南水北调中线工程 中图分类号：T V 6 8 文献标志码： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 1 2 0 3 9 Ca l c ul a t i o n a n d An a l y s i s o n Ch a nn e l Dr a i na g e o f No r t h Ye l l o w Ri v e r t o No r t h Yo u Ri v e r R e a c h o f t h e Mi d d l e Ro u t e o f S o u t h t o No r t h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t Z HANG S h u a i ， CHEN Ya n ，MA Hui mi n ( 1 H e n a n Wa t e r a n d P o w e r C o n s u l t i n g E n g i n e e r i n g C o L t d ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6，C h i n a ； 2 Y e l l o w R i v e r Hy d r o l o g i c a l E n g i n e e r i n g De s i g n I n s t i t u t e ； Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2 ，C h i n a ) Abs t r a c t ：I n o r d e r t o s o l v e t h e c a n a l l i nin g s t a b i l i t y a g a i n s t flo a t i n g p r o b l e m i n h i g h g r o u n d wa t e r l e v e l o f t h e n o r t h Ye l l o w Ri v e r t o No r t h Yo u Ri v e r o f t h e Mi d d l e R o u t e o f S o u t h N o r t h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t a n d c a l c u l a t e t h e g r o u n d w a t e r u p l i f t p r e s s u r e o f t h e c a n a l l i n i n g ， i t r e v i e w e d t h e d r a i n a g e me a s u r e s o f i n n e r c a n a l s l o p e b y us i n g F EM I t a n aly z e d t h e h e a d s e n s i t i v i t y a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t d i s c h a r g e d e n s i t y，c o a l e s a n d c u s h i o n l a y e r t h i c k n e s s ，fil t r a t i o n c o e ffi c i e n t ，a n d f o u n d a t i o n s o i l fi l t r a t io n c o e ffic i e n t c o mb i n i n g i n s t a b le a n d u ns t a bl e i n f i l t r a t i o n flo w c o n d i t i o n s Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s r e s u l t s ， i t p u t f o r w a r d t h e a d j u s t me n t m e a s u r e s o f d r a i n a g e b l a n k e t a n d l i n i n g t u b e o f d i f f e r e n t g r o u n d w a t e r e l e v a t i o n h Jig h l e v e l c a n a l for o p t i m i z i n g t h e d e s i g n o f w a t e r s u p p l y a n d d r a i n a g e a n d s a v i n g t h e e n gi n e e r i n g i n v e s t me n t Ke y wo r d s ： c h ann e l d r a i n a g e ； f i l t r a t i o n c o e f f i c i e n t ；gro u n d w a t e r ；Mi d d l e R o u t e o f S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r T r ans f e r P r o j e e t 南水北调中线工程黄河北一茭河北段起点位于河南省温 县北张羌村总干渠穿黄工程出口S点， 终点为汤阴县驸马营村 南美河交叉 建筑物 出口， 渠线 总长 1 9 7 k m， 其 中渠道长 1 8 2 k m。沿线有长 7 5 k m的渠段地下水水位高出设计渠底高程 ， 其 中4 4 k m的渠段地下水水位高于渠道设计水位。该渠段渠坡 采用厚度为 1 0 a m的现浇混凝土等厚板 ， 渠底采用厚度为 8 a m 的现浇混凝土等厚板。由于衬砌板较薄， 可承受的扬压力非常 小 ， 因此为保证渠道边坡及衬砌的稳定性 ， 需要对地下水水位 高于设计渠底高程的渠段设置排水措施。 1 排水措施 采用暗管集水、 逆止式排水器 自流内排的方式， 在渠道丽 侧坡脚处设暗管集水， 根据计算得出的集水量 ， 每隔一定距离 设一逆止式排水器。当地下水水位高于渠道水位时， 地下水通 过排水暗管汇入逆止式排水器， 逆止式 阀门开启， 地下水排入 渠道内， 从而使地下水水位降低 ， 扬压力减小； 当渠道水位高于 地下水水位时， 逆止式阀门关闭。 】 2 0 2 有限元排水设计复核 2 1 计算理论 考虑到排水措施对渠道衬砌 的安 全至关重要 ， 且 地下水 的 渗流、 集水层的汇流、 衬砌板下的扬压力分布等是个复杂、 系统 的过程 ， 计算过程复杂、 难度较大， 因此采用有限元法进行复 核。计算原理： 将渠道地下水 自排水系统看成是一个管网， 纵 向集水暗管与横向连通管相连接， 将渠中水体作为节点， 以这 些节点所分割的纵向集水暗管、 横向连通管及逆止式排水器为 单元 ， 建立每个单元两端节点水头与管内流量之间的关系， 然 后由节点连续性方程建立各单元之间的联系， 即采用有限单元 法进行计算。计算稳定渗流及非稳定渗流两种工况下， 渠底、 渠坡衬砌板上下最大水头差 。 2 2 典型断面计算 所计算典型断面渠基为重粉质壤土， 渗透系数根据不同计 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 - 2 0 作者简介： 张帅( 1 9 8 2 一) ， 男， 河南鹤壁人， 工程师， 主要从事水利工程设计工作。 E ma i l z h s h u a i 1 9 8 2 1 6 3 c o n 人 民 黄 河2 0 1 3年第 1 2期 算工况假设确定 ， 渠道地下水水位高于渠底 7 2 2 m， 渠道底宽 1 7 m， 一级边坡系数为 1 ： 2 0 。 ( 1 ) 稳定渗流。稳定渗流计算分为渠内设计水位稳定渗流 和渠内无水稳定渗流两种工况。由于土层渗透系数( 1 0 1 0 c m s ) 、 沙砾垫层渗透系数( 1 O 1 0。c m s ) 等存在一些 不确定因素， 因此选取典型断面不同的土层渗透系数的组合情 况， 对衬砌混凝土板下压力水头开展敏感性分析， 结果见表 1 表 3 ， 其中， 板下最大水头列括号内为渠内无水情况下的水头 ， 括号外为渠内设计水位情况下的水头。 表 1 稳定渗流衬砌混凝土板 下压力水 头敏 感性分析 ( 沙砾料 垫层厚为 5 c m) 表 2 稳定 渗流衬砌混凝 土板下压力水头敏感性分析 ( 沙砾料垫层厚为 1 0 c n 1 ) 表 3 稳定渗流衬砌混凝土板下压力水头敏感性分析 f 沙 砾 料 垫 层 厚 为 2 0 c ml ( 2 ) 非稳定渗流。衬砌透水垫层及排水管网的设计不仅取 决于稳定渗流工况， 而且取决于非稳定渗流计算结果。稳定渗 流时渠道无水为控制工况， 这种情况下渠基与衬砌透水垫层相 接处的逸出点接近渠道底部， 仅渠底部集水管起作用。然而， 正常水位波动所产生非稳定渗流工况下边坡 3层集水管均起 作用。因此， 需要进行非稳定渗流计算。 非稳定渗流计算以渠道设计水位骤降 0 3 m、 沙砾层渗透 系数 =1 01 0 I 2 c m s为基本工况， 进行不同土质渗透系数、 不同沙层厚度 、 排水管不同间距的组合计算。计算结果见表 4 。 表 4 非稳定渗流衬砌 混凝土板下压 力水头敏感性分析 (em s -1) 部 位 骊 赫 藤 2 3结果分析 对于稳定渗流情况， 最大水头在沙砾料层厚度为 5 c m、 沙 砾料层渗透系数为0 0 0 1 0 c m s 、 基础土层渗透系数为 3 6 3 1 0 c m s的时候最大， 为 1 3 5 2 6 c m； 在沙砾料层厚度为 2 0 a m， 沙砾料层渗透系数为 0 0 1 0 c m s 、 基础土层渗透 系数为 3 6 31 0 c m s的时候最小 ， 为 1 5 5 4 a m。可以看出， 在沙砾 料层厚度一定的情况下， 最大扬压力受基础土层渗透系数影响 比较大， 最大扬压力随基础土层渗透系数的增大而增大， 特别 是在沙砾料层较薄的情况下， 影响更大； 同时， 最大扬压力也随 着沙砾料垫层增厚而减小， 随沙砾层渗透系数的减小而增大。 对于非稳定渗流情况， 最大水头在排水管间距为6 m、 沙砾 料层厚度为 1 0 c m、 沙砾料层渗透系数为 1 x 1 0c m s 、 基础土 层渗透系数为 11 0I 4 c m s 的时候最大， 为2 9 9 c m； 在排水管 间距为2 m、 沙砾料层厚度为 2 0 c m、 沙砾料层渗透系数为 1 1 0c m s 、 基础土层渗透系数为 11 0 c m s 的时候最小， 为 1 2 a m。可以看出， 最大扬压力受沙砾料层厚度、 排水管间距 影响较大 。 3 调整措施 渠线沿线， 地质条件复杂 ， 为保证渠道内坡渗流稳定及衬 砌稳定 ， 针对渠坡 、 渠底渗流计算结果及排水复核结果对原有 排水措施进行调整， 同时在保证工程安全的前提下优化排水管 网间距及垫层厚度， 以节省投资。 ( 1 ) 纵向排水管间距。在土层渗透系数为 1 01 0 c m s ， 排水管间距为 6 m， 沙砾料层厚为 2 0 c m时， 衬砌板下最大水 头值为0 1 5 4 m， 出现在渠坡 ， 其扬压力分布见图 1 。此时扬压 力呈波形分布， 折算成均布水头为 0 0 9 8 m。但渠道衬砌板为 4 m一块， 混凝土衬砌板所能承受的最大均布水头为0 1 m， 此 种分布形式所产生的扬压力接近于渠道所能承受的最大均布 水头。因此在其他边界条件不变的情况下， 为保证渠道衬砌稳 定 ， 排水管间距应该布置为 6 m左右。对排水管做以下调整： 对地下水水位高于渠道设计水位的渠段， 两侧渠坡及渠底均设 置 3 排纵向集水管； 对地下水水位低于渠道设计水位而高于渠 底 3 m以上的渠段 ， 两侧渠坡及渠底均设置 2排纵向集水管； 对地下水水位高于渠底 3 m以下的渠段， ( 下转第 1 2 4页) 1 2】 人 民 黄 河2 0 1 3年第 1 2期 位流量的比值 Q 。 0 根据分析 ， 东庄电站水轮机转轮的比 值 Q 。 ， 0 0 宜不小于 1 2 。 东庄电站水轮机单位流量建议采用： 最优工况下 Q 。 。= 0 2 7 0 3 4 m s ， 额定工况下 Q l =0 3 5 0 4 5 m s 。 3 4 水轮机效率 水轮机效率是直接反映电站发电效益的能量指标， 现代大 型水轮机的原型最高效率已超过 9 6 ( 如三峡为 9 6 2 6 、 大朝 山为9 6 1 3 ) 。发展趋势是提高水轮机效率、 充分利用水能。 东庄电站水轮机运行应 以抗磨蚀、 稳定运行为指导原则， 在效率方面应注重较高的加权平均效率。建议采用水轮机模 型最高效率 叼 =9 3 0 ， 模型额定点效率 叩 9 1 O 。 3 5 空化性能 众所周知， 空蚀与泥沙磨蚀联合作用将加剧水轮机过流部 件破坏。在选择空化性能好的机型的同时， 选择较大的空化余 量系数可抑制初生空化的发生。东庄电站水轮机模型转轮的 临界空化系数 为 0 0 4 0 0 5 5 ， 装置空化系数 为0 0 6 8 0 09 9。 3 6 额定转速 东庄电站水轮机比转速范围为9 61 2 6 m k W， 相应的发 电机同步转速有 3 0 0 0 、 3 3 3 3 、 3 7 5 0、 4 2 8 6 r rai n四个方案可 供选择， 其水轮机出口相对流速分别为 3 4 1 0 、 3 4 2 7 、 3 5 8 8 、 40 0 0 ms 。 采用较高额定转速有利于减轻发电机重量 ， 降低设备造 价； 采用低转速， 可降低转轮出口的相对流速 ， 对改善水轮机磨 蚀有利。 应控制水轮机出口的相对流速低于 3 8 m s ， 提出东庄电站 水轮机额定转速为3 7 5 r ra i n 。 - +一 - 一一 - - - 0 00。 。 ( 上接第1 2 1页) 两侧渠坡及渠底各设 1 排纵向排水管。 g 球 饕 渠坡一渠底方向距离 图 1 渠坡扬压力( 水头差 ) 分布 ( 2 ) 垫层厚度。沙砾料垫层的厚度受 内坡渗控影响， 要作 为反滤层， 保证内坡渗透稳定 ； 对于整个排水体系来说， 垫层的 厚度直接影响衬砌板下扬压力的大小； 同时考虑施工因素， 垫 层不宜太薄。因此对排水垫层做以下调整： 垫层料为沙砾( 石) 混合料， 粒径为0 22 0 0 mm， 初步确定混合料粒径 D 0 7 m m， 沙砾料层渗透系数为 1 0 1 0 c m s ； 对地下水位高于渠 道设计水位的渠段， 沙砾料层厚度为 2 0 e m， 渠底、 渠坡均铺设； 对地下水水位在设计水位和高于渠底 2 m之间的渠段， 渠底铺 设厚度为 2 0 e m的沙砾料层， 渠坡铺设厚度为 1 0 e m的沙砾料 层； 对地下水位在高于渠底 2 m和渠底之间的渠段， 渠底铺设 厚度为 1 0 e m的沙砾料层， 渠坡铺设厚度为5 e m的沙砾料层； 1 2 4 3 7 水轮机参数 东庄电站初步采用的水轮机参数如下。 ( 1 ) 水轮机模型 目标参数。比转速 n =9 61 2 6 m k W， 比速系数 Ji =1 2 9 1 1 6 9 5 ， 最优单位转速 n 10= 6 1 06 5 3 r ra i n ， 最优单位流量 Q 。 =0 2 7 0 3 4 m s ， 限制工况单位流量 Q =0 3 5 0 4 5 m s ， 模型最高效率 町 =9 3 0 ， 模型额定 点效率 叩 9 1 0 。模型空化系数 M=0 0 4 0 0 0 5 5， 装置 空化系数 z为0 0 6 8 0 0 9 9 。 ( 2 ) 原型水轮机参数。型号 H L ( 1 l 4 ) 一L J一 2 3 0 ， 额定出力 N r = 4 1 1 M W， 额定水头H =1 8 1 m， 转轮直径D。 = 2 3 m， 额定 流量 Q = 2 5 2 5 m s ， 额定效率 叼 = 9 1 5 ， 额定转速 = 3 7 5 r ra i n ， 吸出高度 H =一 5 8 8 m， 装置空化系数 = 0 0 8 3 3 ， 比 转速 n =1 1 4 m k W， 比速系数 =1 5 3 9 。 4 结语 东庄水库电站运行水头高、 变幅宽， 过机泥沙含量大， 借鉴 已运行的黄河小浪底 、 西霞院、 万家寨等多泥沙电站水轮机参 数选择和抗磨措施 ， 分析电站主要参数， 从保障安全运行、 减轻 磨蚀破坏的角度初步选定东庄电站发电机组的额定比转速 、 比 速系数、 单位转速、 单位流量等参数。 参考文献 ： 1 王庆明 机电与金属结构设计 M 郑州： 黄河水利出版社， 2 0 0 5 2 郭晚荣 三门峡水电站水轮机磨蚀破坏原因及规律 J 人民黄河， 1 9 9 5 ， 1 7 ( 1 2) ： 2 32 6 3 阳莉， 李延频， 陈德新 混流式水轮机磨蚀与防护措施研究 J 人民黄河， 2 0 1 0， 3 2( 1 2) ： 2 1 3 2 1 4 4 龚长年 万家寨水电站水力机械设计 J 水利水电工程设计， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 6 8 【 责任编辑张华岩】 对地下水位低于渠底的渠段 ， 渠底、 渠坡仍铺设厚度为5 e m的 沙砾料垫层。 4 结语 采用有限元法复核渠道排水， 建立了渠道衬砌排水管网的 计算模型， 就不同沙砾料垫层厚度和渗透系数及不同排水管间 距组合进行敏感性分析 ， 通过提高沙砾料垫层渗透系数 、 调整 排水管间距和沙砾料垫层厚度， 解决高地下水水位渠段衬砌板 下扬压力较大的问题， 针对不同的地下水位， 选取合理、 经济的 处理措施， 以优化排水设计 ， 节省工程投资。 参考文献： 1 李占松， 王玲玲， 赵廷华， 等 渠道衬砌排水减压系统计算方法研究 J 人 民黄河 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 5 ) ： 8 3 8 7 2 高丹盈， 杨素娟， 李占松 ， 等 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： 工学版， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 2 7 3 1 3 李斌， 宋海亭， 罗毅 黄土渠道高边坡渗流分析 J 人民黄河， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 1 ) ： 1 2 41 2 5 【 责任编辑吕艳梅】