南水北调工程高潜水强透水地基渠道施工期渗流及降排水研究

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发布时间：2021-08-27

资料介绍

由表1可知，该渠道段地基属高潜水强透水，且

砂层分布极不均匀，施工阶段考虑到渠道渗流是否

稳定，能否保证干地要求的问题，因此对该渠道段作

了施工期渗流计算及降排水研究。

2 渗流计算原理及公式

国内外学者对渗流进行了大量的计算方法研

究，通常采用扩散方程、布辛内斯克方程、固结方程

及拉普拉斯方程等几种型式_2 J。

2．1 渗流计算模型

根据达西渗透定律及水流连续性方程，稳定渗

流的基本微分方程可表示为：

)+ )+

1 -1)(1)

在推导岩体渗透张量时，可以得到某渗流区域

内的渗流能量的表达式为：

)= (kx

1 4) + (k

-1) +

( ： )‘l d d y d (2)

在渗流场分析时，必须满足定解条件的存在性、

解的唯一性以及稳定性3个条件。满足了上述3个

条件的问题称为适定问题。根据边界条件和变分原

理，上述定解问题等价于求能量泛函的极值问题，如

公式(3)：

，(H) 1 0 ( o

1 -1) + ( a

t -1) + (

： ) ]d x d y d z- g日d sjmin l(3)

H( ，y，z)I Sl= ( ，， )J

根据研究区域的水文地质结构，进行渗流场离

散化，即：

Q=ΣQ (4)

对公式(4)取其变分等于零，并对各子区域迭

加，可得到由有限元法求解渗流场的方程式：

[ ]{H}={F} (5)

式中：[ ]为整体渗透矩阵；{日}为各节点水头值。

2．2 渗流量计算

渗流量是指通过某一指定过水断面的流量。若

指定过水断面是由一系列平面单元组成，则通过该

过水断面的流量为：

g=Σ 筹d S (6)

式中：A为给定平面；K和分别为给定平面外法

向渗透系数和水头坡降。

对四面体单元而言，指定过水断面一般取在各

四面体单元的中断面，即通过四面体三棱边的中点，

也即通过单元形心。

对等参单元计算流量时，将公式(6)变换为对

局部坐标的求导和积分。再利用高斯积分式进行数

值积分，则式(6)变为：

q=Σ Σg(叼， ) (7)

式中：q('7 ， )为被积函数；n为积分点数；H 为加

权系数。

3 计算模型

3．1 计算模型

计算模型沿渠道轴线，在长度方向上取相邻2

组排水井的抽降水影响单元，两岸范围取2倍渠道

的宽度。网格生成借助MIDAS—GTS前处理程序，

有限元模型采用八结点六面体单元为主。为了边界

和土层结构的过渡，局部辅之以退化的棱柱体单元。

模型见图1。坐标系规定：垂直水流向指向右岸为

正方向；顺水流向指向上游为z正方向；竖直向上

为y正方向。取2个抽水井中间位置渠道横断面作

为重点研究，分析渠道底板处的压力水头，判断其可

满足施工要求。

3．2 边界条件

根据地质资料选取渠外潜水位高程，作为模型

左、右岸边界的远源定水头边界。在渠道轴线2个

截面边界上，因取到2个抽水井的中线位置，设为不

透水边界，模型底部设为不透水边界。渠道表面上，

设为可能出渗边界；排水井井内水位以下定为水头

边界，以上部分为可能出渗边界。

3．3 计算工况

根据

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