栾旭1 王丹妮2 谷治浪2
1.吉林松江河水力发电有限责任公司 吉林省白山市 134500；
2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西省西安市 710065
摘要：本文采用三维有限元方法对某渠道开挖过程、排水渗流及边坡渗透稳定情况进行了研究分析。在保证明渠边坡开挖过程中的稳定和明渠干地施工的前提下，本文研究了排水井抽水高程及间距对渠道内降水的影响，为渠道的施工提供依据和参考。
关键词：有限元；渗流；降排水
Study on drainage scheme of channel during construction period
（Power China Northwest engineering corporation limited，CHECC，Xi’an 710065，China）
Abstract In this paper，three dimensional finite element method is used to study the excavation process，drainage seepage and slope seepage stability of a channel. The paper studies the influence of pumping height and spacing of drainage Wells on the precipitation in the channel，and provides the basis and reference for theconstruction of the channel.
Keywords：FEM；seepage；drainage
1工程概况
沙河南～黄河南郑州 2 段工程设计单元是南水北调中线总干渠第Ⅱ渠段（沙河南～ 黄河南）的组成部分。本设计单元渠段起点为郑州市中牟县与管城区交界处潮河倒虹吸进口，终点位于郑州市西南金水河与贾鲁河之间郑湾村附近，全长21.961km，其中建筑物长 1.446km，明 渠长 20.515km。本文仅对总干渠渠道段进行分析研究。
地质参数：①轻壤土：渗透系数为1.00×10-4cm/s；②黄土状中粉质壤土：渗透系数为3.62×10-5 cm/s；③细砂：渗透系数为4.45×10-3cm/s。⑤中粉质壤土：渗透系数为4.15×10-5cm/s。
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【1】。
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【3】可表示为： 公式（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：
公式（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三个条件。满足了上述三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）：
根据研究区域的水文地质结构，进行渗流场离散化，即：
公式（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：
公式（5）
式中：——整体渗透矩阵，——各节点水头值
2.2渗流量计算
渗流量计算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
公式（6）
式中：为给定平面，和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，则上式变为：
公式（7）
式中：为被积函数；为积分点数，，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两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X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。取两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。
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。模型下部取到50.0m高程作为不透水层；顶部取至原地面；两岸范围取2倍渠道的宽度，模型总宽度为378m；计算模型沿渠道轴线，在长度方向上取相邻两组降水井的抽降水影响单元，长度61.2m。有限元模型图详见图1。渠道横断面有限元模型图见图1。
图3.1 渠道横断面有限元模型图
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。在渠道轴线上两个截面边界上，因取到两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
降水井布置在开口线以外，两侧一级马道各1排，降水井间距分别为25m、20m和15m，进行排水井数量敏感性分析。
4计算结果及分析
根据计算段地质条件，确定砂层顶高程渠外潜水位和排水井的抽水高程，综合考虑排水井间距、排水井深度等因素对渠道渠底水压力的影响，进行排水井深度及数量的敏感性分析。
表1 各工况计算成果汇总表
从上表可以看出，潮河倒虹吸总体的单井抽水量较大，随着降水井间距的缩小，单井抽水量由33.3m3/h变为21.9m3/h，通过合理配置抽水设备均可保证明渠底部的孔隙水压力均为负值，满足渠道的干地施工要求。
降水井间距为15m方案的三维渗流计算结果见图4.1-4.3。
图4.1 压力水头等值线云图 图4.2 纵断面压力水头等值线云图
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论文作者:栾旭1,王丹妮2,谷治浪2
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第29期
论文发表时间:2019/8/28
标签：水井论文; 渠道论文; 模型论文; 边界论文; 单元论文; 水头论文; 公式论文; 《建筑细部》2018年第29期论文;