基于SEEP/W的衬砌渠道非饱和渗流模拟

朱 峻

(江西峻瑞建设工程有限公司，江西 九江 332000)

1 研究方法

在SEEP/W中模拟了一个二维渠道模型如图1 所示。对整个土域进行网格划分，并进行稳态渗流分析。在稳态分析中，水的体积没有随时间而变化，说明稳态方程与时间变量无关，因此不考虑体积含水量函数。唯一需要输入的参数是饱和渗透系数(ksat)；输出结果为在给定边界条件下研究区域内孔隙水压力、电导率等的变化。

图1 二维渠道模型在SEEP/W中的应用

本次模拟实验设置的边界条件是：顶部的总水头(H)为5 m、4 m和3 m；底部为单位坡度边界条件；两侧无流动边界条件。

本次模拟采用当地农田土壤。表1中列出了土壤的物理和岩土性质，如粒度分布、比重、最大干容重和最佳含水量、岩芯切割法现场密度、落差渗透试验饱和渗透性。

表1 土壤的物理和岩土特性

2 结果与分析

为了促进衬砌的实际应用，本次采用了具有渗透性的薄片材料与土工合成衬砌材料(渗透性约1.0×10-9m/s)。模型计算包括有无衬砌时孔隙水压力随渠道深度的变化，分析比较了不同水位条件下，渠道中心和左侧的计算结果。

2.1 水头对无衬砌渠道孔隙水压力的影响

经过渠道的水量在周围土壤中产生不平衡的水作用力，从而在一定程度上改变了土壤的孔隙水压力。孔隙水压力可能由于土壤含水量的变化而发生变化，如果土壤变得干燥，它会增加到较高的负值，而如果土壤再次开始湿润，则会转为正值[1]。此外，地下水位的波动也会影响土壤的含水量，从而引起孔隙水压力的变化。基于此，研究了渠道中三个不同水位引起的孔隙水压力随深度的变化，如图2(a)～图2(c)所示。

从图2(a)(渠道顶部的水位)可以看出，在x=5 m时，即在渠道中心，由于水穿过渠道底部，孔隙水压力从渠道底部的约20 kPa变化到距底部 3 m 深度处的最小值2 kPa。因此，当水通过土壤时，它首先到达渠底，产生高水压，随着土壤深度的增加，水流减少，从而导致水压降低。另一方面，在x=2 m时，所有深度的土壤孔隙水压力均为负值。值得注意的是，在渠道顶部观察到孔隙水压力负值，随着深度的增加逐渐减小。这是因为流经渠道底部的水流比渠道侧面高出许多。图2(b)显示了当水位位于距渠道顶部1 m的深度时孔隙水压力的变化情况。在这种情况下，可以看出在x=5 m和x=2 m时的变化规律相似，但在饱和区域孔隙水压力的范围减小。这是因为渠道里的水量减少了。图2(c)显示了水位在渠道底部时，随深度变化的孔隙水压力结果，当x=5 m时，渠道底部的孔隙水压力为零，而距渠底3 m处的孔隙水压力为-25 kPa。

当x=2 m时，孔隙水压力为高负数，表明土体中的含水量非常低。根据对无衬砌渠道的研究结果，可以得出结论：渠道内不同水位下，渠道表面以下的土壤状态从饱和状态到非饱和状态变化很大。

图2 不同水位条件下无衬砌渠道的孔隙水压力随深度的变化情况

图3 不同水位条件下衬砌渠道的孔隙水压力随深度的变化情况

2.2 水头对衬砌渠道孔隙水压力的影响

图3(a)～图3(c)显示了渠道中不同水位下，有衬砌渠道的孔隙水压力随深度的变化。结果表明，在其整个深度内存在着较高的负孔隙水压力。在x=5 m和x=2 m处，孔隙水压力的变化也相当大。这是由于低渗透性，水通过衬砌的渗透性较低。

2.3 衬砌对孔隙水压力变化的影响

通过前文得出的结果对无衬砌渠道和有衬砌渠道在不同水位下的孔隙水压力随深度的变化情况进行比较，如图4(a)～图4(c)所示。结果表明，当渠道水位降低时，负孔隙水压力显著增加[2]。对于任何特定水位，有衬砌渠道比无衬砌渠道表现出更高的负孔隙水压力。这表明在布设衬砌后，渗水量非常低，可知防渗层是降低渠道渗漏损失的有效手段[3]。

图4 不同水位下有无衬砌的渠道的孔隙水压力随深度的变化

3 结论与展望

本文研究了有衬砌和无衬砌渠道在不同水位下的受力特性，并在渠道中心和距渠中心一定距离处对结果进行了比较。对于无衬砌渠道，当地下水位保持在顶部水平时，观察到孔隙水压力随深度的最大变化。由于水流沿水平方向的运动比垂直方向向渠底的运动要小，因此沿渠侧的孔隙水压力变化始终处于非饱和状态。当衬砌材料布置在渠道模型中时，土壤的孔隙水压力发生了显著变化。与无衬砌渠道相比，衬砌渠道的负孔隙水压力非常高，这可以归因于模型中衬砌材料的导水率值非常低。比较有衬砌和无衬砌两种情况下不同水深下的孔隙水压力变化结果，发现随着渠道水深的减小，孔隙水压力变化的差异增大。因此，在渠面应用土工合成衬层可显著降低渗漏损失，这一点由高负孔隙水压力所证实。