南水北调中线工程典型渠堤数值模拟分析

韦耀国 ，赵毅恒 ，杜智浩

（1. 南水北调中线干线建设管理局，北京 10038；2. 河海大学水电学院，江苏 南京 210098）

0 引言

南水北调中线工程是迄今为止世界上最大的调水工程，全长约 1 432 km[1]，一期工程年调水量约95 亿 m3[2]，其安全运行对北京、天津和河北的饮水安全具有十分重要的意义。渠首段作为南水北调典型堤段，涉及高填方、深挖方和膨胀土边坡，且采用大量大型输水建筑物和复杂人工构筑渠道，因此地质及工程条件极其复杂，近年来时有滑坡事故发生。

由于实际工程的复杂性和风险的不可预测性，从 20 世纪末期开始，数值分析逐渐取代边坡稳定性图解法，用以研究此类复杂渠道工程问题。例如：刘华强等[3]对膨胀土边坡稳定分析方法进行了研究，秦禄生等[4]进行了膨胀土路基边坡在雨季失稳破坏的机理研究。

另一方面，国家重点研发计划“南水北调工程运行安全监测与检测体系融合技术研究及检测装备和预警系统示范”将监测系统提升作为重要研究内容，要求实现测点的优化和仪器参数的精准确定。而目前国家和行业仍缺乏大型调水工程安全监测技术规范，数值计算作为了解渠坡滑动部位、变形和渗流数值特征的有效手段，可以剖析典型特殊渠段的失事机理，为测点布置和仪器参数确定提供有力参考。

现今研究复杂渠道边坡稳定性的数值模拟，一般选择 ANSYS，FLAC，Geo-Studio，STAB 等软件，采用莫尔-库伦强度理论进行计算。其中 Geo-Studio 系统软件是 20 世纪 70 年代由加拿大岩土软件开发公司开发的一套知名的岩土工程分析软件，近年来该分析软件以其仿真分析功能全面稳定（8 个功能分析模块），设计领域广泛（岩土、地质、采矿、水利、交通、环境工程等）而被广泛用于渠道边坡数值分析。本研究亦选择 Geo-Studio 软件进行南水北调典型渠段的数值模拟，主要用到其中的渗流分析模块（SEEP/W）、应力变形分析模块（SIGMA/W）及边坡稳定性分析模块（SLOPE/W）。

1 典型渠段地质条件和断面分析

1.1 典型渠段分析

南水北调中线渠道中填筑高度超过 6 m 的高填方渠段约为 144 km，占比很大，且渠道过水断面多采用混凝土衬砌，如果产生过大的沉降变形，易导致边坡衬砌面板出现较大的挠度、结构内力变化，造成面板结构破坏，严重的会造成面板断裂滑塌、内水外渗等现象，影响渠道工程的运营安全[5–6]。

南水北调中线工程总干渠分布近 400 km 长的膨胀土（岩）段[7]，占总干渠长度的 30% 左右，主要分为强、中和弱膨胀土[8]。在长期干湿循环作用下，膨胀土土体产生很多裂隙，裂隙逐渐往深土层扩张，极易产生浅表层滑坡。随着浅表层土体开始失稳下滑和裂隙的逐渐深入，雨水渗入深部土层，在不同强度的土体交界面处容易发展形成土性极弱的软弱夹层[9]。因此，在渠坡开挖后，由于边坡应力不平衡，软弱滑动带位置处易出现大面积的滑坡[10]。

本次研究的南水北调典型渠段是含有深挖方及高填方特殊工况下的弱膨胀土渠道。近年来的相关研究表明，弱膨胀土的边坡失稳主要为受大气影响控制的浅表层破坏，随着渠道开挖深度加大，膨胀土边坡不仅在受水增湿条件下膨胀变形会产生浅表层变形破坏，而且存在受裂隙面和夹层控制的深层活动破坏。

1.2 典型断面分析

1.2.1 高填方渠坡

本次研究以南水北调中线调水工程渠首段 35 +400 标段高填方渠道右岸边坡为研究对象，渠道堤顶高程为 147.100 m，渠底高程为 137.680 m，地面高程为 133.700 m，坡顶到地面最大填方高度为 13.4 m，渠底宽为 19.0 m，坡顶宽为 5.0 m，渠道正常运行水位在 145.509～145.769 m 之间，变幅很小。

选取 145.769 m 作为设计水位高程，即渠内水深 8.089 m。由于渠道左右岸对称，则衬砌完好工况下的渠坡断面模型简化为如图 1 所示的模型图。

图1 35 + 400 标段衬砌完好的高填方渠坡断面模型图

根据该标段岩土勘察报告，渠道主要填方土的岩性以弱膨胀黏土为主，土体基本参数如表 1 所示，衬砌完好时，渠道内坡衬砌为 10 cm 厚的 C20混凝土面板和 100 cm 厚的水泥改性土，渠道外坡衬砌为 100 cm 厚的水泥改性土，面板渗透系数为 3×10-9cm/s，在外坡脚还设置了贴坡排水。

表1 土体计算参数

根据土体计算参数，运用 Geo-Studio 软件对衬砌完好及失效 2 种工况下的高填方渠坡断面建立计算模型。衬砌完好模型的有限元计算网格剖分节点为 2 186 个，单元为 2 074 个；衬砌失效模型的网格剖分节点为 2 105 个，单元为 1 990 个。网格剖分如图 2 所示。

图2 衬砌完好及失效工况下高填方渠坡网格图

1.2.2 深挖方渠坡

以南水北调中线调水工程中 10 + 300 标段深挖方渠道右岸边坡为研究对象，渠道堤顶高程即地面高程为 166.738 m，渠底高程为 138.738 m，最大挖方高度为 28.0 m，渠底宽为 13.5 m，地下水位高程为 159.700 m，渠道正常运行水位在 146.350～146.870 m 之间，变幅很小。

选取 146.870 m 作为设计水位，渠内水深为8.132 m。设计水位条件下，衬砌完好工况下的渠坡断面模型简化如图 3 所示。

深挖方渠坡土体的材料特性与高填方渠坡相同，以弱膨胀黏土为主，土体基本参数和高填方渠坡土体相同。渠道边坡填筑 150 cm 厚水泥改性土，面板衬砌至高程为 148.738 m 处的一级马道位置。

图3 10 + 300 标段衬砌完好的深挖方渠坡断面图

用 Geo-Studio 软件建立深挖方渠坡断面计算模型，衬砌完好的模型网格剖分节点为 3 512 个，单元为 3 386 个；衬砌失效的模型网格节点为 3 484 个，单元为 3 353 个。网格剖分如图 4 所示。

图4 衬砌完好及失效工况下深挖方渠坡网格图

2 典型断面水平位移及渗透压力分析

2.1 高填方渠坡

2.1.1 水平位移分析

以 35 + 400 标段高填方渠道右岸边坡为研究对象，运用 SIGMA/W 模块模拟在设计水位条件衬砌完好及失效 2 种工况下高填方渠坡的水平位移，2 种工况下高填方渠道正常运行期的边坡内部水平位移等值线图如图 5 所示。

由数值模拟结果可知，衬砌完好的高填方渠坡在内坡上部和坡顶位置位移较大，方向向右往渠道外侧，最大位移值为 0.051 m。衬砌失效的渠坡内部土体水平位移分布大致左右对称，位移值范围为-0.004～0.024 m，在坡顶和外坡一侧马道附近的坡体位移较大，最大位移发生在外坡坡体内，位移值为 0.024 m，方向指向渠道外侧。这说明该渠道外坡表面可能产生剥落现象，这些部位应重点进行水平位移监测布置。

图5 衬砌完好及失效工况下高填方渠坡水平位移等值线图（单位：m）

2.1.2 渗流压力分析

运用 SEEP/W 模块模拟正常运行期高填方渠坡衬砌完好及失效 2 种工况下的孔隙水压力和水力梯度，图 6 为 2 种工况下高填方渠坡的孔隙水压力等值线图，图 7 为水力梯度等值线图。

由数值模拟结果可知，2 种工况下渠底部位的孔隙水压力都较大。衬砌完好的高填方渠坡在内坡和渠底衬砌底部位置的水力梯度较大，最大值达到46.430，在此处易发生渗透破坏，须重点进行渗流监测；衬砌失效的渠坡在外坡脚位置的水力梯度最大为 0.477。

图6 衬砌完好及失效工况下高填方渠孔隙水压力等值线图（单位：kPa）

图7 衬砌完好及失效工况下高填方渠坡水力梯度等值线图

结合 2 种工况下高填方渠坡的渗流模拟结果进行分析，应在内外坡脚、马道、内坡和渠底衬砌底部位置埋设渗压计进行渗流监测。

2.2 深挖方渠坡

2.2.1 水平位移分析

以 10 + 300 标段深挖方渠道右岸边坡为研究对象，运用 SIGMA/W 模块模拟在设计水位条件衬砌完好及失效 2 种工况下深挖方渠坡的边坡水平位移，2 种工况下水平位移等值线图如图 8 所示。

图8 衬砌完好及失效工况下深挖方渠坡水平位移等值线图（单位：m）

由数值模拟结果可知，衬砌完好的深挖方渠坡在渠底和边坡衬砌部分的坡体产生相对明显的位移，方向向右往渠道外侧，最大位移值为 0.010 m；在衬砌顶部的一级马道位置产生往渠道内侧的位移，最大值为 0.011 m。衬砌失效的渠坡内部土体明显往渠道内侧方向发生位移，最大位移值为 0.107 m，因此该位置应重点进行变形监测。

2.2.2 渗透压力分析

运用 SEEP/W 模块模拟正常运行期深挖方渠坡衬砌完好及失效 2 种工况下的孔隙水压力和水力梯度，2 种工况下的孔隙水压力等值线图如图 9 所示，水力梯度等值线图如图 10 所示。

图9 衬砌完好及失效工况下深挖方渠坡孔隙水压力等值线图（单位：kPa）

图10 衬砌完好及失效工况下深挖方渠坡水力梯度等值线图

由数值模拟结果可知，与高填方渠道类似，2 种工况下均在渠底部位达到孔隙水压力最大值。衬砌完好的深挖方渠坡在衬砌底部位置的水力梯度较大，最大值达到 27.450，此处易发生渗透破坏，须重点进行渗流监测；衬砌失效的渠坡在坡脚位置的水力梯度最大为 0.483。结合 2 种工况下深挖方渠坡的渗流模拟进行分析，在坡脚和衬砌底部位置均应埋设渗压计进行渗流监测。

3 典型渠段边坡危险滑面确定

3.1 高填方渠坡

数值模拟高填方渠坡等水头线分布，衬砌完好和失效 2 种工况下等水头线分布图如图 11 所示。由模拟结果可知，相比衬砌完好的高填方渠坡，衬砌完全失效的渠坡浸润线明显较高，对于渠坡的稳定性有不利影响。

图11 衬砌完好及失效工况下高填方渠坡等水头线分布图（单位：m）

对于该高填方渠道断面，运用 SLOPE/W 模块，结合渠坡弱膨胀黏土的地质条件，采用 Bishop法计算安全系数，模拟得出的渠道正常运行期衬砌完好和失效 2 种工况下渠坡的危险滑动面及稳定安全系数，滑动面计算结果如图 12 所示。

采用拟定的路面结构以及各层结构模量值，路基顶面回弹模量采用平衡湿度状态下的回弹模型乘以模量调整系数kl（kl=0.5），为50MPa，根据弹性层状体系理论计算得到路表验收弯沉值la为19.9（0.01mm）。

图12 衬砌完好及失效工况下高填方渠坡危险滑动面

根据计算结果进行分析，衬砌完好的高填方渠坡在设计水位条件下的危险滑动面位于堤顶至坡脚的范围，安全系数为 2.315，滑坡体的体积和切入边坡的深度较大，渠坡发生滑坡后修补的难度和工程量都较大。

而衬砌失效的渠坡危险滑动面范围大于衬砌完好的渠坡，安全系数为 2.118，低于衬砌完好的高填方渠坡，发生滑坡的风险相对更大，在边坡浸润线入口附近切入深度最大，可达 7.380 m。通过模拟 2 种工况下高填方渠坡的危险滑动面，确定最大滑坡深度的位置，在设置内部变形测点时须与之相对应。

3.2 深挖方渠坡

数值模拟深挖方渠坡等水头线分布，衬砌完好和失效 2 种工况下等水头线分布图如图 13 所示。模拟得出渠道正常运行期 2 种工况下渠坡的危险滑动面及稳定安全系数，滑动面计算结果如图 14 所示。

图13 衬砌完好及失效工况下深挖方渠坡等水头线分布图（单位：m）

图14 衬砌完好及失效工况下深挖方渠坡危险滑动面

根据计算结果进行分析，衬砌完好的深挖方渠坡正常运行期工况的滑动面为堤顶至坡脚的范围，安全系数为 1.606，分析其相对偏低的原因可能是渠道断面大且挖方深，边坡易发生滑坡破坏。

深挖方渠坡危险滑面的形式和特点与高填方类似，滑坡体体积很大，向渠坡内切入的深度大且范围广。本衬砌失效的深挖方渠坡安全系数为 1.535，低于衬砌完好的渠坡，通过查询土条信息，跨度 113 m的深挖方渠坡断面上有长 69 m 的滑坡面切入深度超过 10.000 m。在渠道边坡中段二级马道附近切入深度最大，最大可达 19.716 m。通过确定滑坡深度，设置相应的内部变形测点。通过对比可以看出，该典型深挖方渠坡相比高填方渠坡更易发生滑坡破坏。

通过对高填方和深挖方渠坡在衬砌完好和完全失效 2 种工况下的危险滑动面分析，可知该段特殊渠道边坡存在发生滑坡破坏的风险。为提高调水工程的稳定性，最终拟在 10 + 300 标段渠坡原有测点布置的基础上，对 10 + 300 标段深挖方渠坡进行如下测点布置和优化：

1）对渠道坡顶处的原有水平位移测点进行自动化监测改造，利用已有钻孔埋设固定式测斜仪，改造后的测点底部埋设高程为 130.238 m。

2）对边坡二级马道处进行测点布置，此处钻孔埋设的测斜仪经过水平位移最大值部位，同时该处滑坡体切向深度也最大，测点位置关键，须进行重点实时监控，测点底部高程为 128.738 m。

3）对边坡衬砌段中部进行测点布置，测点底部高程为 128.738 m，此处坡体内部的水平位移相对较明显，测斜仪埋设完成后配置数据自动采集设备。

4）对水力梯度最大的衬砌底部、坡脚和渠基部位的原有 5 组渗压计配置数据自动采集设备，可以监控危险部位，防止发生渗透破坏。

4 结语

南水北调中线干线工程渠首高填方和深挖方段是渠道安全监测的重点和难点，采用 Geo-Studio 软件进行南水北调典型渠段的数值模拟，可得到以下结果：

1）用 SIGMA/W，SEEP/W 模块及饱和-非饱和统一渗流方程，得到衬砌完好和破坏 2 种工况下各渠段水平位移场及渗透压力场。结果表明高填方渠道在衬砌失效时坡顶和外坡一侧马道坡体位移较大，最大位移发生在外坡坡体内，最大水力梯度发生在外坡脚位置。深挖方渠道在完好衬砌时主要位移发生在渠底和边坡衬砌部分的坡体，而且在衬砌顶部的一级马道位置产生往渠道内侧的位移，此时水利梯度在衬砌底部达最大值。衬砌失效时主要位移发生在渠坡内部，此时坡脚位置达最大位移值和水力梯度峰值。因此，在渠道衬砌完好时应重点监测坡顶及外坡一级马道的位移、坡脚的渗漏等破坏；在衬砌失效时除应重点监测渠道内坡的位移破坏，还需注意坡脚的渗漏破坏，同时对 2 个重点区域进行加固除险。

2）用 SLOPE/W 模块及 Bishop 法，获得衬砌完好和破坏 2 种工况下各渠段最危险滑动面及安全系数。结果表明高填方渠道衬砌完好时，危险滑动面位于堤顶至坡脚的范围；衬砌失效时，渠坡危险滑动面范围变大，在边坡浸润线入口附近切入深度最大。深挖方渠道在衬砌完好时，滑动面为从堤顶至坡脚的范围；衬砌失效时，滑动范围加大且渠道边坡中段二级马道附近切入深度最大。因此，在 2 种特殊渠道的衬砌失效时，各自边坡最危滑面附近需格外布置监测测点日夜监测，以防滑坡、崩坡的产生。在渠道修复时除重点关注最危滑面，也应对深挖方渠道的二级马道附近进行重点修复。

需指出的是，虽然上述计算结果可为测点布置、仪器选型及巡视检查重点部位提供参考，但在揭示特殊渠段边坡可能存在的破坏模式时，采用的软件未考虑带有膨胀力的土体的本构模型，若以后有限元软件针对膨胀土土质模型二次开发，则可更好地模拟与实际相符的情况，为后续监测项目的测点和仪器优化选择提供理论依据。