南水北调深挖方段渠道渗透破坏机理研究_薛满宇.pdf

河南水利与南水北调 2023年第5期南水北调南水北调深挖方段渠道渗透破坏机理研究薛满宇1，张阳1，韩先旭2（1.北京京能国际控股有限公司华北分公司，北京 100020；2.华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450045）摘要：运用ABAQUS软件实现对渗透机理进行探究，以南水北调中线工程中的输水渠道为研究对象，对典型部位选取合适断面进行定量化研究。通过数值仿真计算研究表明，深挖方渠段在运行期的强度以及防渗满足运行要求，在运行期整体结构稳定，在运行期加大水位工况下，渠段仍旧安全可靠。关键词：深挖方渠道；渗流机理；渗透变形破坏中图分类号：TU352文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）05-0055-02作者简介：薛满宇（1977），男，工程师，主要研究方向为电力工程。0引言南水北调中线工程是中国实现水资源优化配置的重大工程，重点解决河南、河北、天津、北京4省市水资源短缺问题。渗透破坏是渠道常见的工程问题，渠道的渗透不仅会造成水量的损失，还可能发生管涌、流土等破坏，导致渠岸崩塌、溃决，造成重大生命财产损失。因此，对渠道进行仿真分析，探究其渗透破坏机理，提高渠道安全性势在必行。文章运用ABAQUS软件，通过对南水北调深挖方渠段典型断面进行仿真分析，研究其渗透破坏机理，及时发现不安全因素，有助于增加渠道的使用寿命和安全性，具有经济和社会效益。1渗流计算原理及方法从即将进行分析的渗流模型中取出一个单元，其体积V=dxdydz。假设该单元在x方向的流速为Vx，在y方向的流速为Vy，在z方向的流速为Vz。同时假设流体不可压缩，且在渗流过程中土壤的孔隙比保持不变。根据达西定律，可知3个方向上土体的渗流速度，进而可以推理得到三维下的渗流的连续性方程为：kx x22+ky y22+kz z220（1）式中：kx、ky、kz为x、y、z方向上单元体的渗透系数，cm/s；为渗透水头函数，即=gP+a；P为单元体中心处的水压力，kPa；为水的密度，g/cm3；a为单元体中心处的位置水头，m。为使得计算结果精确，采用ABAQUS进行仿真模拟计算，由于渠道模型的形状比较复杂，采用六面体单元C3D6P，以获得更加准确的计算结果，使数值模拟更接近实际情况，给出更合理的结果。2工程概况和数值模型选取深挖方渠段典型断面为实例进行研究，建立渠道数值仿真模型，所选断面特性如表1所示，渠道数值模型如图1所示。数值仿真模型的整体结构包括渠道衬砌板、渠堤土、地基及水体，其中衬砌结构自上而下由混凝土面板、复合土工膜、保温板、反滤层组成，文章中渗透系数取其平均值，模型表面附加材料参数见表2。断面型式深挖方渠底高程/m139.07渠堤高程/m148.83设计水位/m147.07加大水位/m147.83表1典型断面特性表Study on Mechanism of Channel Infiltration and Failure of Deep Excavation Section inSouth-to-North Water DiversionXUE Manyu1,ZHANG Yang1,HAN Xianxu2（1.Beijing Jingneng International Holdings CO.LTD.,North China Branch,Beijing 100020,China;2.North China University Of WaterResources And Electric Power,Zhengzhou 450045,China）Abstract：ABAQUS is used to explore the seepage mechanism.Taking the water conveyance channel in the middle line ofSouth-to-North Water Diversion Project as the research object,the appropriate section is selected for quantitative research on typicalparts.The numerical simulation results show that the strength and seepage control of the deep excavation square canal section meet theoperation requirements during the operation period,and the overall structure is stable during the operation period.Under the conditionof increasing water level during the operation period,the canal section is still safe and reliable.Key words：deep excavation channels;seepage mechanism;seepage deformation failure55河南水利与南水北调 2023年第5期南水北调3工况的选取文章选取2种工况进行分析，分别为设计水位工况和加大水位工况。且每种工况采用2个时刻，分别是初始时刻和最终时刻。初始时刻是产生渗流的时刻，最终时刻指的是分析步骤完成的时刻。通过对每种水位的2个时刻对比，可以了解到在南水北调渠道运行过程中，渗流量、浸润线等随着时间的变化情况，并判断其是否对渠道基础造成管涌、流土等破坏。4渗流场分析为研究南水北调深挖方渠道在运行期间的渗流情况以及安全运行提供理论指导，采用ABAQUS软件建立渠道模型对其进行仿真模拟计算。通过设置边界条件、设置荷载等，规定结构的初始应力状态，对渗流机理进行探究。渗流稳定场如图2所示。通过数值仿真计算，可以发现深挖方渠道在工作期间，会产生一些渗漏，但在设计水位及加大水位的工况下，渗漏量较少，不足以对渠道基础造成管涌、流土等破坏。在增加至一定极限水位的工况下，在某一时刻达到限度，渗流量会增加，可能会造成渠道两侧土体的滑坡。通过对初始时刻及最终时刻的渠道渗流场进行比较分析，可以看出最终时刻渠段内水流下渗速度比初始时刻快，最终时刻的渠底水流外渗量比初始时刻增多，最终时刻的土层水流流速也比初始时刻快。渠底土层渗流场流速远远大于渠道内水流流速，在渠底第一层土和两侧坡脚处最大，两侧坡脚流速相近。在水位增加到加大水位工况后，渠道内水流流速略有增加。5渠道安全稳定分析选择深挖方渠段典型断面作为研究对象，分别取设计水位及加大水位2种工况，通过修改折减系数模拟其结构位移变化情况，观察渠道在水流作用下的受力情况以及发生位移的大小。图3给出了淅川段典型渠段在运行期的位移分布情况。从图中可以看出，水平方向位移以渠道中心线为轴的轴对称条带状分布，其中水渠中间的位移值最大。在自然条件下，渠道的水平方向位移和渠底土层的位移在总位移中所占比重较小，在总位移中所占比重较大的是竖直方向位移。竖向位移以渠底为中心，形成一层层的圆环分布，从渠道的顶部自上而下逐渐减小，竖向位移最大的位置在渠道的顶端，两种水位的竖向位移最大值分别为1.17、1.60 cm。通过数值仿真计算研究，可知在运行期状态下，渠道回填土总体沉降量较小，整体结构的应力值很小，不会对渠道基础构成破坏。深挖方渠段在运行期整体结构稳定，在运行期加大水位工况下，渠段仍旧安全可靠。6结论针对南水北调渠道在实际运行中的渗流问题，选取了具有代表意义的典型断面，并对具有典型断面的淅川深挖方渠段进行数值仿真分析计算，通过数值仿真计算，得出以下两点结论：在设计水位以及加大水位工况下，南水北调中线工程深挖方渠段渗流量较小，渗透比降小于土的允许比降，不会发生渗透破坏。深挖方渠段在运行期设计水位和加大水位的工况下运行时，其结构稳定，土壤总体沉降量较小，整体结构应力值较小，深挖方渠段安全可靠。参考文献：1 周嵩，熊焰，倪锦初.大型输水渠道渗透破坏问题分析 J.人民长江，2019，50（12）：152-156.2 顾喜贵.西北某灌区渠道渗漏数值试验分析研究 J.水科学与工程技术，2020（4）：21-25.3 穆枳泛.不同断面渠道渗漏过程模拟及影响因素分析 D.哈尔滨：东北农业大学，2021.收稿日期：2022-12-19编辑：赵鑫表2附加材料参数表材料坡面材料土壤密度/（t/m3）1.801.80杨氏模量20 000 00050 000泊松比0.300.30渗透系数/（m/s）5.0010-75.0010-7图1渠道数值仿真模型图图2渗流稳定场分布图注：左上到右下依次为设计水位初始时刻、设计水位最终时刻、加大水位初始时刻、加大水位最终时刻。图3设计水位初始时刻位移分布图（排列方式同上）56