不同降雨类型下高地下水位渠道性态数值模拟研究

陈辉 张延亿 马吉刚 邓刚 赵守勤 李来祥

摘 要：為解决高地下水位渠道在遭遇强降雨时容易发生衬砌破坏的问题，深入研究了不同降雨条件下高地下水位渠道内部结构性态的响应规律。基于非饱和渗流理论，对4种不同降雨类型条件下渠道内部的渗压（总水头）情况进行了分析研究，得出对衬砌结构安全最不利的降雨类型是前锋型降雨和均匀型降雨。在渗流分析的基础上，基于Morgenstern-Price法对渠道边坡进行了稳定分析，结果表明随降雨的持续，各种降雨类型条件下边坡安全系数均表现为持续减小。同时前锋型和均匀型降雨条件下发生滑坡的风险大于其他两种雨型。因此，从渗流和边坡稳定计算角度看，应重点关注前锋型和均匀型降雨。在此基础上，对渠道排水设计进行了优化改进，所提方案可有效降低渠道内部的渗流压力。

关键词：降雨类型;渗流;边坡稳定;高地下水位;渠道

中图分类号：TV91

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.023

引用格式：陈辉，张延亿，马吉刚，等.不同降雨类型下高地下水位渠道性态数值模拟研究[J].人民黄河，2021，43（11）：126-129，136.

Numerical Simulation of High Groundwater Level Channel Behavior Under Different Rainfall Types

CHEN Hui  ZHANG Yanyi  MA Jigang  DENG Gang  ZHAO Shouqin  LI Laixiang3

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China Institute of Water Resources and

Hydropower Research， Beijing 100038， China; 2.Key Laboratory of Construction and Safety of Hydraulic Engineering

of Ministry of Water Resources， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;

3.Water Transfer Project Operation and Maintenance Center of Shandong Province， Jinan 250100， China）

Abstract： In order to solve the adverse effect that the lining of high groundwater level channels was prone to damage when subjected to heavy rainfall， the response law of internal structural state of high groundwater level channels under different rainfall conditions was studied. Based on the non-seepage seepage theory， the seepage pressure （total water head） in the tunnel under four different rainfall types was analyzed and studied. The results show that the most unfavorable rainfall types for the lining structure safety are the frontal rainfall and uniform type rainfall. On the basis of seepage analysis and Morgenstern-Price method， the slope stability analysis of the channel slope was carried out. The results show that the slope safety factor decreases continuously with the continuous rainfall. At the same time， the risks of landslide about front type and uniform type rainfall are greater than that in the other two types of rainfall. Therefore we should pay more attention to the front type and uniform type rainfall from the perspective of seepage and slope stability calculation. On this basis， the drainage design of the channel is further optimized and improved， and the proposed scheme can effectively reduce the seepage pressure inside the channel. The research results can provide reference for slope and seepage control design of high groundwater level channels.

Key words： rainfall types; seepage; slope stability; high groundwater level; channel

在大流量、长距离供水或灌溉渠道的布置和結构设计中，受地形地质条件等的影响，常遇到渠道穿越高地下水位区域的情况。高地下水位对渠坡和衬砌结构的稳定性均可能产生一定的影响，而降雨又是影响高地下水位渠道边坡和衬砌结构安全的重要因素之一。大量研究者已对降雨引起的边坡渗流特性及稳定性变化进行了深入研究，如：石振明等[1]提出了考虑降雨入渗的多层非饱和土边坡稳定性分析方法;蒋中明等[2]利用FLAC3D软件进行了边坡三维非饱和降雨入渗分析;张珂峰[3]利用Geostudio软件模拟了三峡库区某边坡在库水位骤降及库水位骤降联合降雨条件下的渗透稳定性规律;曾铃等[4]提出一种基于饱和-非饱和渗流及非饱和抗剪强度理论的路堤边坡稳定性分析方法;李斌等[5]采用稳定渗流和非稳定渗流三维有限元模拟技术，对南水北调中线一期穿黄工程南岸渠道高边坡渗流状态进行了计算分析。但针对高地下水位渠道的降雨入渗问题的研究较少。当前一些高地下水位渠道缺少相应的排水系统，在强降雨条件下会产生较大的扬压力，使渠道衬砌结构发生破坏[6]。例如：南水北调中线工程总干渠某渠段附近地下水位较高，河水渗漏引起的地下水位上升严重影响了渠道衬砌结构的稳定性[7]。

采取工程措施消除地下水对渠道衬砌板的不利影响是渠道设计的一项重要内容。为了更科学地研究高地下水位对渠坡和衬砌结构的影响，计算不同降雨类型（前锋型、中锋型、后锋型、平均型）下渠道边坡与衬砌结构的响应规律，得到边坡内部不同位置的孔压、安全系数等随降雨历程的变化规律，并对渠道衬砌结构设计提出优化方案。

1 数值模拟计算原理

1.1 非饱和渗流理论

非饱和渗流计算控制方程为

x（kxHx）+y（kyHy）+Q=mwγwHt（1）

式中：H为总水头;kx、ky分别为x、y方向的渗透系数;Q为边界流量;γw为水的容重;t为时间;mw为土-水特征曲线的斜率。

土-水特征曲线采用Fredlund & Xing模型[8]，相应的方程如下：

θw=θs{ln[e+（φa）n]}-m（2）

式中：a为进气值，主要取决于孔隙的尺寸;n为当基质吸力超过土的进气值时土中流出率函数的土性参数;m为残余含水量函数的土性参数，与特征曲线的整体对称性相关;φ为基质吸力;θw为体积含水率;θs为饱和体积含水率。

渗透系数曲线采用如下表达式[9]：

kw=ksΘp（3）

式中：kw为非饱和土的渗透系数;ks为饱和渗透系数;Θ为体积含水量θW与饱和体积含水量θS之比（θW/θS）;p为渗透系数曲线中的拟合参数。

1.2 边坡稳定计算原理

当完成非饱和渗流计算之后，将渗流计算结果耦合并进行边坡稳定计算。边坡稳定计算采用Morgenstern-Price法[10]。

Fredlund等提出的非饱和土抗剪强度公式[11]为

τ=c′+（σn-ua）tan φ′+（ua-uw）tan φb（4）

式中：τ为非饱和抗剪强度;c′为有效黏聚力;φ′为有效内摩擦角;σn-ua为净法向应力;ua-uw为基质吸力;φb为基质吸力对抗剪强度的影响所对应的摩擦角。假定在降雨过程中土体抗剪强度参数保持不变。

2 工程实例

2.1 工程概况

某供水渠道运行20多a后，沿线地下水位发生不同程度的变化，对于地下水位发生上涨的渠段，因缺少相应的排水系统而产生较大的扬压力，使渠道衬砌结构发生破坏。因此，对高地下水位渠道采取排水措施：在渠道坡脚采用暗管集水、逆止式排水器自流内排的方案。当地下水位高于渠道水位时，逆止式阀门开启，将地下水排至输水渠内，反之阀门关闭。渠道典型断面设计如图1所示。在正常运行过程中，该段渠道地下水位为2.60 m左右，渠道内水位为2.60～3.00 m。

为了优化排水方案，对强降雨条件下渠道内部结构性态响应进行数值模拟分析。

2.2 计算模型

（1）计算模型及边界条件设置。计算模型如图2所示。地表面设置为降雨流量边界;渠道全断面防渗，认为不透水。为了反映最不利工况，逆止阀为定水头边界2.60 m（河道低水位），初始地下水位为2.60 m。网格尺寸设置为0.1 m，网格数量为21 616个，节点个数为21 909个。

选取衬砌结构以下3个典型节点（见图2标记位置）进行分析。

土体力学模型参数见表1。

（2）土水特征曲线。渗流分析过程中的土水特征曲线和对应的渗透系数曲线如图3所示。

（3）降雨过程。降雨强度参考该渠段所在区域50 a以来最强降雨。降雨类型分别为前锋型、后锋型、中锋型及均匀型，总降雨量均为286 mm，降雨时间持续33 h。不同降雨类型的降雨过程如图4所示。

2.3 计算结果分析

2.3.1 渗压计算结果分析

衬砌板的抗浮稳定系数通过下式求取[12]：

Kf=γ′chc/（γwΔh）（5）

式中：γ′c为衬砌板浮容重，kN/m3;γw为水容重，kN/m3;hc为衬砌板厚度，m;Δh为衬砌板底面总水头与渠道水位的差值，m。

当衬砌板处于水中，Kf=1.0，hc=0.06 m，衬砌板浮容重取15 kN/m 求得Δh=0.09 m。因此，当Δh≥0.09 m时才能保证衬砌板的安全。

渠道内水位为2.60 m时衬砌板底部总水头不能超过2.69 m，否则衬砌板将在上下压差的作用下发生隆起破坏。

选择降雨结束时间节点进行渠道内部渗压分析，如图5所示。可知，各种雨型条件下，浸润线（图5中虚线）下方衬砌结构的最大总水头均在2.70～2.80 m之间，超过了2.69 m的临界水头，因此衬砌板将在降雨的作用下发生破坏。

为研究各雨型对衬砌结构影响的差异，分析衬砌板下典型节点1、2、3所在位置总水头随降雨过程变化的规律，如图6所示。

可知，在降雨过程的前31 h各对应时刻典型节点总水头的大小规律是前锋型>均匀型>中锋型>后锋型，后2 h的总水头大小规律是均匀型>前锋型>中锋型>后锋型。因此，对衬砌结构最不利的降雨过程是前锋型降雨和均匀型降雨。

同时，在降雨过程中几种降雨工况下典型节点1的总水头在降雨后期都超过了2.69 m，因此节点1所在位置的衬砌结构可能发生破坏。而在均匀型和前锋型降雨条件下节点2位置可能发生破坏，节点3位置则相对安全。

综上所述，由高地下水位内部渗流情况可知，不同降雨类型的降雨所带来的渠道内部渗压响应规律是不同的，其中前锋型和均匀型降雨对应的渗压增长速度较快，对衬砌结构的破坏力较强。因此，在设计计算中应重点关注这两种降雨类型。同时，衬砌结构以下不同位置的渗流响应也有较大差异，在设计中也应对此情况进行充分分析。

2.3.2 边坡稳定计算结果分析

随着降雨的持续，各种降雨类型条件下边坡安全系数均降低（见图7），说明降雨会增加渠道边坡发生滑坡的危险。在降雨过程前31 h各时间点安全系数的大小规律为前锋型<均匀型<中锋型<后锋型，最后2 h安全系数的大小规律为均匀型<前锋型<中锋型<后锋型，因此前锋型和均匀型降雨条件下发生滑坡的风险大于其他两种雨型。造成这种现象的主要原因是前锋型和均匀型降雨在降雨过程中孔隙水压力增大的速度比其他两种雨型的快。

图8为降雨结束后各降雨类型下边坡稳定安全系数及计算过程中滑移面分布情况。各工况下边坡安全系数均大于2.0，说明本次降雨虽然会使安全系数下降，但最终发生滑坡的风险较小。

2.4 排水设计方案优化研究

为有效应对渠道运行期间出现的渗漏问题，且能应对极端降雨条件，增强渠道衬砌层的抗浮稳定性，需提高堤身内部地下水的排出能力。

在渠坡防渗结构（土工膜）下方设置10 cm厚的排水垫层，排水垫层由强透水性的砂砾料或中粗砂构成，此时可形成排水垫层与既有逆止阀的联合作用。同时，该方案可保证渠道全断面防渗，减小沿程水头损失。

对优化后的排水方案选择最不利的前锋型和均匀型降雨条件进行渗压数值模拟计算。选择降雨结束时间节点进行渠道内部渗压分析，如图9所示。可知，优化排水设计后，浸润线（图9中虚线）下方衬砌结构的最大总水头均在2.69 m以内，因此衬砌板会在降雨条件下保持稳定。计算表明，在防渗结构下方设置排水垫层的设计方案是合理可行、效果显著的。

3 结 论

针对高地下水位渠道在不同类型强降雨下内部结构性态的响应规律进行了深入分析，得到以下结论：

（1）渗流分析表明，渠道内部渗压对不同降雨类型的响应规律是不同的，其中前锋型和均匀型降雨对应的渗压增长速度较快，对衬砌结构的破坏力较强。在设计计算中应重点关注这两种降雨类型。同时，衬砌结构下不同位置的渗流响应有较大差异，在设计中应对此情况进行充分分析。

（2）随降雨的持续，各种降雨类型条件下边坡安全系数均表现为降低。因此，降雨会增大渠道边坡发生滑坡的危险，同时前锋型和均匀型降雨条件下发生滑坡的风险大于其他两种雨型。

（3）在衬砌结构下方设置砂砾石垫层可有效增强高地下水渠道的排水能力，从而达到提高渠道衬砌层抗浮稳定性的目的。所提改进方案可供其他高地下水位渠道的边坡与渗控设计参考。

参考文献：

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[2] 蒋中明，熊小虎，曾铃.基于FLAC～（3D）平台的边坡非饱和降雨入渗分析[J].岩土力学，2014，35（3）：855-861.

[3] 张珂峰.基于灰色关联度理论的库水位变动-降雨联合作用下的边坡渗透稳定性研究[J].水电能源科学，2019，37（12）：99-102.

[4] 曾铃，付宏渊，何忠明，等.饱和-非饱和滲流条件下降雨对粗粒土路堤边坡稳定性的影响[J].中南大学学报（自然科学版），2014，45（10）：3614-3620.

[5] 李斌，宋海亭，罗毅.黄土渠道高边坡渗流分析[J].人民黄河，2009，31（11）：124-125，127.

[6] 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，2010，32（5）：83-84，87.

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[8] FREDLUND D G，XING A. Equations for the Soil-Water Characteristic Curve[J]. Canadian Geotechnical Journal，1994，31（4）：521-532.

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[11] FREDLUND D G，MORGENSTERN N R，WIDGER R A. The Shear Strength of Unsaturated Soils[J]. Canadian Geotechnical Journal，1978，15（3）：313-321.

[12] 黄炜，肖万格，姚雄.南水北调中线总干渠高地下水位内排渗控研究[J].人民长江，2010，41（16）：55-58.

【责任编辑 张华岩】