南水北调大沙河渠道排水非稳定渗流计算分析 (2010年)

用有限元方法进行了南水北调工程大沙河段渠道排水非稳定渗流计算，分析了排水管间距、砂层厚度、基础土层的渗透性对渠道内外水头差的影响。结果表明：在一定范围内增加排水管间距，衬砌内外最大水头差增大；增加砂层厚度可以有效减小渠道内外水头差；随着基础土体渗透系数的减小，粗砂层的排水通道作用更加突出，渠道内外水头差明显减小；非稳定渗流对渠道衬砌稳定影响较大，在渠道排水结构设计中应作为控制工况。 ### 南水北调大沙河渠道排水非稳定渗流计算分析 #### 一、引言 非稳定渗流现象是导致水利工程中的堤坝边坡失稳的重要因素之一。为了确保水利工程的安全性和稳定性，需要对其进行全面的研究。南水北调中线工程是中国的一项重大水利工程，全长1272公里，穿越黄河、淮河、海河及长江四大水系。河南省境内的部分长达731公里，由于复杂的地质条件和特殊的地形地貌，工程面临着一系列挑战。其中，大沙河段的渠道设计面临相对高水位的情况，这对渠道衬砌结构的稳定性产生了显著影响。 #### 二、渠道衬砌排水计算原理及方法 非稳定渗流是指在渗流场内各点的流速等水力要素随时间而变化的流动现象。在南水北调大沙河段的渠道中，当渠内水位突然下降时，会引发非稳定渗流问题，这可能导致衬砌结构受损甚至破坏。为了解决这一问题，本文采用了有限元方法来进行渗流计算。 **有限元方法**是一种数值分析技术，它能够处理复杂的边界条件和非均匀土层，适用于解决实际工程中的渗流问题。通过这种方法，可以求解出渗流场内的渗流量、水头、压力和坡降等关键参数，从而为渠道的设计提供科学依据。 **基本方程**如下： 对于可压缩土体，非稳定渗流的基本方程为： \[ \frac{\partial}{\partial x}(K_x \frac{\partial h}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial z}(K_z \frac{\partial h}{\partial z}) = S_s \frac{\partial h}{\partial t} \] 其中，\(K_x\) 和 \(K_z\) 分别是沿 x 和 z 方向的渗透系数；\(S_s\) 是单位贮存量；\(h\) 是水头函数；\(t\) 是时间函数。 对于不可压缩土体，稳定渗流的基本方程简化为： \[ \frac{\partial}{\partial x}(K_x \frac{\partial h}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial z}(K_z \frac{\partial h}{\partial z}) = 0 \] **边界条件**包括初始边界条件、水头边界条件和流量边界条件，这些条件是求解方程的关键。 #### 三、计算段的选择和计算条件 本研究选择了南水北调工程的某一段进行深入分析。考虑到大沙河段的特殊地理条件，本文特别关注了排水管间距、砂层厚度以及基础土层的渗透性等因素对渠道内外水头差的影响。 **主要结论**： 1. **排水管间距**：在一定范围内增加排水管间距会导致衬砌内外的最大水头差增大。 2. **砂层厚度**：增加砂层厚度能够有效减小渠道内外的水头差。 3. **基础土体渗透性**：基础土体的渗透系数减小时，粗砂层的排水通道作用更加显著，进而使得渠道内外的水头差明显减小。 4. **非稳定渗流的影响**：非稳定渗流对渠道衬砌结构的稳定性有着重要影响，在渠道排水结构设计中应当将其作为控制工况。 通过对大沙河段渠道的非稳定渗流计算分析，可以得出一系列重要的结论，这对于指导南水北调工程的设计与施工具有重要意义。通过优化排水管间距、调整砂层厚度以及改善基础土层的渗透性等措施，可以有效地降低渠道衬砌结构受到的压力，从而提高整个工程的安全性和稳定性。