渠道衬砌排水减压系统计算方法研究.pdf

第 3 2卷第 5期 2 01 0年 5月 人民黄河 YEI |L0W Rl VER V o 1 32 O 5 Ma y 2 0 1 0 【 水利 水 电工程 】 渠道衬砌排水减压 系统计算方法研究 李占松 ， 王玲玲 ， 赵廷华 ， 张文峰 ( 1 郑州大 学 水利与环境 学院， 河 南 郑州 4 5 0 0 0 1 ； 2 河南省水利勘测设 计 鲁限公司， 河 南 郑州 4 5 0 0 0 8 ) 摘要 ： 衬砌 渠道运 用排 水 系统进行 减压时 ， 纵向集水 暗管 、 横 向连 通管及逆止 式排 水阀构成排 水管网 ， 管网各 管段 具有 变流量的特 点， 可 用有 限单元法进行排 水减压计算 。 当渠基为弱渗 透性的重粉质壤 土时 ， 排 水粗 沙层 可简化 为一 维渗流 场， 粗沙层的厚度起控制作用。渠堤渠基渗流场可按二维渗流场处理 ， 二维渗流场计算与排水管网计算通过纵向集水暗 管剖 面进行耦合 ， 经对 渠 内无水稳定渗 流及渠 内正 常水位非稳 定渗 流两种控制 工况进 行计算后 ， 即可进行 渠道衬砌排 水 减 压 系统的设计 。 关键词 ：渠道衬 砌 ；排水减压 系统 ；耦合计 算 ；南水北调 中线总干 渠 中图分 类号 ：T V I 3 3 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 】 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 0 0 5 0 3 8 南水北调 中线总 f渠 是特 大 型 调水 工 程 ， 为 节约 工程 投 资， 存在一些渠段堤外相对商水位情况。这就必须对渠道衬砌 边坡 和渠底扬 压力进行计算 ， 以校 核边坡 和渠底 的稳定 性 。纵 向集水 暗管 、 横 向连通 管及逆止式排水 器构 成 了渠 道 自排 水 系 统 。有关文献介 绍 _这种 排水 系统 的布 置 、 试 验 等成果 。 ， 但排水系 统 与渠 堤 渠 基 渗 流 相耦 合 的水 力 计 算 方 法 研 究 还 较少 。 1 渠道 自排水计算方法 1 1 管网计算 把渠道 自排水 系统看成是一 个管网 ， 平面布置见 图 1 。 l ： 2 I ， 逊 吐式 排水稍 2 1 ： 荤 曦 囱连通簧 士2 5 0 鼋 一 i 式排 撂 逆 制 器 总 -F 回亟巫 n 储 瞽4 , 2 5 c ， 纵向集水 管 级 袭 马 级 癌 塞 生 5 0 胡 马 瞎管4 , 2 5 ( l 3 0 0 0 道 趟 ) ) 塞 l ： 2 ) I ： 2 。 渠 遭底霓 B 接 七 图 1 排水管 网布置 ( 单位 ： n l m) 纵 向集水 暗管与横 向连通管 之间 的三 通连接 和 四通 连接 、 渠 中水体看成 是节点 。由这些节点所 分割 的纵 向集 水 暗管 、 横 向连通管及逆止式排水器为单元。其 中， 纵向集水暗管是沿程 变流量甚 至是沿 程变 单宽 集水 流量 的管 道 。对 每一 单冗 建立 两端节点水头 与管内流量之 问的关系 ， 然 后 由节 点连续 性方程 建立各单元之间的联系， 即用有限单元法进i -l - 算。 1 2 横剖面二维渗流计算 渠基渗流严格来讲心该属于三维流动。纵向渗流流速分 量及横剖面二维渗流沿纵向的变化 ， 原因是横向透水连通管的 存 在及逆止式排水 器 的散 点布置 。横 向连通 管 主要是 起平 衡 各纵向集水暗管排水能力的作用。最大水力坡降主要是沿横 剖面方向。逆止式排 水器 引起 的纵 向集 水 暗管所 处纵 削面 水 头线折点， 对于沿横剖面的水力坡降影响甚微。因此 ， 渠基渗 流近似按横剖面二维计算是完全合理的。近似认为各横剖面 渗流情况相同。渠基渗流横削面二维计算亦采用有限单元法。 通过横剖面二维渗流计算得管网计算所需纵向集水暗管 单宽集水流量 ； 通过管网计算得横剖面二维渗流计算所需集水 暗管段断面水头值。对上述两方面计算进行耦合， 依据渠道内水 位、 原地下水位及排水结构布置 ， 即可得到混凝土衬砌渗透压力。 2 稳定渗流计算结果 典型算例横剖 面见图 2 。柒 基 为重粉质壤 土 ， 其与 混凝 土 衬砌 问铺 5 C IT I 厚 的粗 沙 。对 该算 例进行横剖 面二维渗 流有 限 元计 算时， 粗沙 的渗 透 系数取 重粉质壤土 的 2 7 51 0 2 7 51 0 倍， 并且粗沙厚度相对于横向尺寸及拟选取的土层 深度很小 ， 其上 为不透水 的混凝土 衬砌 ， 流 向单 。因此 ， 粗沙 层 内的渗 流可按一维考虑 ， 并可作为主 体是均 质土层二 维渗流 的有压边界条件来处理。同时， 渠底齿墙及纵向集水暗管沙槽 形状尺寸 不 _予考虑 ， 即土层边界慨化成 等腰 梯形 。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 一l 1 I 2 l 作者简介 ： 李 占 松 ( 1 9 6 5 一) ， 男， 河南长葛人 ， 副教授 ， 博 士， 主要 研究方 向为计 算水力学及工程水 力学。 E ma i l ： p o l b o n s i r l a 2 o m 8 3 人 民 黄 河2 0 1 0午第 5期 一剖面图 一 J 剖 面囝 大样 图 2 典型算例横剖面( 单位 _ l1 m) 2 1渠 内设 计水位 工 况 ( 1 ) 排水管阿计算。共选取4 6个单元， 3 2个节点。 ( 2 ) 平面二维横剖面渗流计算。 由渠底中心线对称轴剖 开 计算一半区域， 采用j角形网格 ， 共 4 6 5 8 0个单元、 2 3 6 0 4个 节点 。水平方向 汁算范 约 1 1 1 m、 垂直方 向约 9 9 m。水平方 向网格尺 寸为 0 7 0 8 1 5 3 0 m， 垂直办 向网格尺 寸为0 3 6 1 0 7 2 2 m。 ( 3 ) 粗沙层处理。粗沙层作 为渗 流计算 和管网计算 的边界 条件， 建立 r渗流单元汇入粗沙层流量、 与渗流节点对应粗沙 层各断面水头、 各纵向集水暗管断面水头及各纵向集水暗管单 宽集流量计算模型。 ( 4 ) 计算结果见表 l 、 表2 。 表 1 各粗沙层厚对应渗流量和最大水头差计算 由表 1可以看出， 粗沙层厚为 5 c m时， 水头变化约 1 i n m ( 相对于正常水位 ， 下 同) ， 粗 沙层 内水 头变化对 渗流量 计算影 响甚微 。粗 沙层 厚在 14 c m 范 围 内变 化 ， 对渗 流量 影 响甚 微 ； 对最大水 头差有影 响 ， 但 至粗 沙层 厚为 】c m 时 ， 最 大水头 差 也仅为 4 1 7 n l l n 。可见 ， 水头差为 1 0 c m( 设计允许水头差最 大值) 的情况在粗 沙层厚 大于 1 c m时远 不会 出现 。 表 2 用粗沙屡厚为 5 c m时的耦合渗流量进行排水管 网计算 由表 2吖以看出 ， 透水管直径为 2 5 0 m m时 ， 管 网节点最 大 水头值仅 0 0 1 6 i n to。透 水管直径减 至 5 0 m m， 管网节点 最大水 头值几乎无 变化 ， 至 1 0 m m时才有 明显 变化。即使 减至 5 m m， 管网节点最大水头值 也仅 为 0 5 5 5 mm， 此值 对粗 沙层 内水 头 分布乃至渗流遗大小影响甚微。 2 2 渠内无水工况 采用死 活单元共用节点坐标涮整 的方法 模拟浸润 而 ， 结果 见表 3、 表 4 8 4 表 3渠 内无水时粗沙层渗流量和最大水 头差 由表 3可 以看 出 ， 粗沙层 厚为 5 1 1 时 ， 水头 变化相 对于总 水头7 2 2 m极小 ， 此粗沙层 水头变化埘渗流量计算影响 甚微。粗沙层厚存 2 4 a n 1 范 同内变 化 ， 对 渗流赶 影 I响甚微 ； 对最大水头差有影响 ， 虽绝埘 值不大 ， 但丰 对变化 硅菁 。 渠中基本无 水时 ， 边 坡 中排 、 上排 排水 阀暴露 于 大气 中。 其具有逆止性， 进 口端为负 时， 视j c 完全封 利。进行排水管 网计算时 ， 比渠 巾为止 常水位 时多 f j 两类 点中排和上排 排水 出 口 点。若渠中水位在 二 排和 小排排水 阀之 间 ， 则 中 排和 F排排水 阀淹没 出流 ， 渠 中水体为 一 节点 ； 上排排 水阀暴 露于大气中 ， 排水 阀出口端为一 自由出流节点 。 表 4渠内无水粗沙层厚 5 t 时的管网节点最大水头 ， 2 5 o 2 0 0 l 5 1 )l o ( 】 5 0 3 0 1 0 管 网节点 最大水头0 2 7 5 3 0 2 7 3 9 0 2 7 4 1 0 2 7 4 4 0 2 7 8 7 0 3 0 9 5 3 0 3 1 2 f if o n l 由表4町以看出， 透水管直径为2 5 0 m m时， 管网节点最大 水头值仪 2 7 5 3 m m。透水管直径减至 3 0 mm， 管网节点最 大水 头值几乎无 变 化 ， 至 1 0 H l n l 时 才 有 明显 变化 。f I _i 即 使至 l 0 m m， 管 网节点最大 水头也仅 为 3 0 3 1 2 c m， 此值 对粗 沙层 内水 头分布乃至渗流量大小影响甚微 。 2 3 计算结果评价 无论是渠 内设计水位 r 况还是渠 内无 水工况 ， 对 粗沙层厚 度及透水 管直径的确定均非控制条件 。 3 水平影响范围取值对最大水头差计算结果 的影响 水平方向计算范嗣取值对计算结果影响明显。渠道渠基 渗流特别是衬砌渠道渠基渗流尚无可供借鉴的计算方法。所 以， 有必要对水平影响范围取值对汁算结果的影响进行分析。 共取 7组值 ( 含组原值 ) 进 行计算 ， 结果见表 5 。 表 5 渠内无水稳定渗流 工况水平计算范 围对最大水头差的影晌 f l 裘5呵以看L叶 | ， 原选取水平计算池围值对应计算结果仪 比最大水头差_i f 算结果小约6 ， 而再增大计算范倒， 计算结果 下降明显。计算范嘲约小于 8 7 I l 1 计 算不能收敛， 得不出正常 结果 。原 因是水平计算 范围选取过小 ， 此处 能近似认为均匀 渗流。因此， 现选取水平影响范围取值是合适的。 4 非稳定渗流计算结果 衬砌透水 层及 排 水管 网设 计 ， 不仪 取决 于稳 定 渗流 工 况 ， 而且还要进行 非稳定渗流计算 稳定渗流( 下转第 8 7页) 人 民 黄 河2 0 1 0年第 5期 ( 2 ) 考 虑红层岩体在 荷载 作用下 的蠕 变效 应 ， 因此 根据 岩 体剪切曲线的形态及规律 ， 将综合分析获得的岩体峰值抗剪强 度按试验 曲线 形态乘 0 8 5作 为屈服强 度 ； 同时考 虑一定折 减 ， 再乘 0 9作 为岩体 的长期强度 。 ( 3 ) 黄河上游新第三系红层软岩层一般较薄 ， 且岩体 中发 育裂隙很少 ， 岩体呈似均质体 ， 且室内剪切试验方向平行层面， 因此对 于弱风 化下段 、 微 风化段 岩体 的强 度参数 ， 可 以岩芯强 度试验结果为取值依据， 弱风化 中段 、 弱风化上段以现场大剪 试验结果为取值依 据。取值结果见表 4 。 表 4黄河上游红层软岩岩体饱水状态下 的强度 参数 表 4中强度参数建议值是依据试验结果 、 通过数理统计和 考虑一定折减 获得的。需要注意 的是 ， 对 长期处 于地下 水位 以 下 、 荷重 较低 ， 施工 开挖 、 保 护措 施不 力的部位 ， 应 以现场 饱水 试验结果的低值为基本依据。 4 结语 ( 1 ) 岩体 的抗 剪强度 随环境 条件 的变 化较 著 ， 因此 强度 参数 的取值应 以岩体的基本赋存 环境 条件为依据 。 ( 2 ) 黄河上游新第三系红层弱风化、 微风化软岩饱水状态 下岩体抗剪断强度指标 厂 值多在 0 5 4以上 ， c 值大于 0 1 MP a ； 抗剪强度 指标厂 值 为 0 4 80 5 0 ， C值 为 0 1 MP a 左 右。 ( 3 ) 新第三 系红层软 岩具有 遇水 膨胀 崩解 、 失水 收缩 千裂 的特性。另外 ， 新鲜 的泥岩 暴露 在空 气 中 ， 会产 生 回弹松 弛 与 吸湿松弛， 这都会导致软岩的强度降低， 因此工程建设中应及 时实施开挖 保护措 施。 参考文献： 1 彭华 ， 吴志才关于红层 特点及 分布规 律的初 步探讨 J 中山大学 学报 ： 自 然科学舨， 2 0 0 3 ， 4 2 ( 5 ) ： 1 o 9 1 1 3 2 郭永眷， 谢强， 文江泉我国红层分布特征及主要： E 程地质问题 J 水文 地质工程地质 ， 2 0 0 7( 6 )： 6 77 1 3 万宗礼 ， 聂德新 ， 吴曾谋 黄河上游新第三系红层工程地质特 性研究 j 西 北水 电 ， 2 0 0 2， 6 ( 3 )： 6 06 3 4 魏玉峰新第三系红层石膏岩 亡 程特性及工程应用研究 D 成都： 成都理 工大学 ， 2 0 0 5 5 何满潮 ， 景海 河， 孙晓 明 软岩工程地 质力学 研究进 展 J 工 程地质 学报 ， 2 0 0 0 8 ( 1 ) ： 4 65 O 6 B M奥西波夫 黏土类土和岩石的强度与变形性能的本质 M 李生林， 译北 京 ： 地质 出版社 ， 1 9 8 5 7 熊诗 湖 ， 邬爱清 ， 周火 明 层状软岩力学特性现场试验研究 J 地下空 间与 工程 学报 ， 2 0 0 6， 2( 6 )： 8 8 78 9 0 【 责任编辑赵宏伟】 ( 上接 第 8 4页) 时以渠道无 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 三层集水管均起作用。基于此， 对典型断面渠基排水非稳定渗 流进行了计算 ， 见表 6 。 表 6非稳定渗流各粗沙层厚度对应 渠底及边坡最大水头差 计算中选取渠内正常水位降幅 1 m， 这是经渠道非恒定流 计算 选取 的典 型值 。经 计算降幅 1 m对应 时间 ， 亦 即闸门关 闭 时间 ， 选取 5 、 l 0 、 1 5 ra i n的结 果基 本无 变化 。原 因是 该典 型 断 面渠基土质渗透系数小 ， 原地下水位超出渠内正常水位初值仅 2 2 c m， 导致 渠基渗流浸润线 附近垂直 方 向渗 流流 速小 ， 继而在 水位降幅对应 时间内浸润线下降甚微 ， 致使 最大 压差值 主要取 决于最大水位降幅值而与对应时间几乎无关。计算中渠基土 质的孔隙率取值为 0 4 。与稳定渗流时情况相同， 考虑到渠底 齿墙处透水垫层不连续， 使渠底渗流均向渠中心线处集水管集 中汇出， 而不能有效地向齿墙外侧靠近渠底和边坡转角处集水 管集 中汇 出。因此 ， 采取如齿墙 内侧增设 一排纵 向集水 暗管 的 有效工程措施 ， 可使渠底最大水头差 明显减小， 使得粗沙层厚 度为 2 0 c m时 ， 排水 满足设计要求 。 5 结语 典型算例计算表明， 对渠道衬砌排水减压 系统设计和校 核 ， 渠基 二维渗流与排水 管网的耦合计算 是可行 、 有效 的方法 。 渠内无水稳定渗流与渠内正常水位非稳定渗流两种工况的计 算均需要进行。渠内无水稳定渗流计算时， 水平计算范围应通 过 比较确定 。 参考文献 ： 1 郭殿 祥 ， 董勤瑞 ， 沈宝 巨高 地下水 位渠道衬 砌排 水试验 J 农 田水利 与 小水 电 ， 1 9 8 9( 1 1 ) ： 1 6一l 9 2 董勤瑞 混 凝土衬砌 渠道 的排水 技术 J 水利水 电技 术 ， 1 9 9 0 ( 8 ) ： 4 5 5 O 3 韩风来 ， 高德 刚 济平干渠 渠道衬 砌排 水减扬 压技术研 究 j 南 水北调 与 水利科技 ， 2 0 0 6( 3) ： 2 52 7 【 责任编辑赵宏伟】 8 7