基于SEEP/W的襯砌渠道非飽和滲流模擬

朱 峻

(江西峻瑞建設工程有限公司，江西 九江 332000)

1 研究方法

在SEEP/W中模擬了一個二維渠道模型如圖1 所示。對整個土域進行網(wǎng)格劃分，并進行穩(wěn)態(tài)滲流分析。在穩(wěn)態(tài)分析中，水的體積沒有隨時間而變化，說明穩(wěn)態(tài)方程與時間變量無關，因此不考慮體積含水量函數(shù)。唯一需要輸入的參數(shù)是飽和滲透系數(shù)(ksat)；輸出結果為在給定邊界條件下研究區(qū)域內孔隙水壓力、電導率等的變化。

圖1 二維渠道模型在SEEP/W中的應用

本次模擬實驗設置的邊界條件是：頂部的總水頭(H)為5 m、4 m和3 m；底部為單位坡度邊界條件；兩側無流動邊界條件。

本次模擬采用當?shù)剞r田土壤。表1中列出了土壤的物理和巖土性質，如粒度分布、比重、最大干容重和最佳含水量、巖芯切割法現(xiàn)場密度、落差滲透試驗飽和滲透性。

表1 土壤的物理和巖土特性

2 結果與分析

為了促進襯砌的實際應用，本次采用了具有滲透性的薄片材料與土工合成襯砌材料(滲透性約1.0×10-9m/s)。模型計算包括有無襯砌時孔隙水壓力隨渠道深度的變化，分析比較了不同水位條件下，渠道中心和左側的計算結果。

2.1 水頭對無襯砌渠道孔隙水壓力的影響

經(jīng)過渠道的水量在周圍土壤中產生不平衡的水作用力，從而在一定程度上改變了土壤的孔隙水壓力。孔隙水壓力可能由于土壤含水量的變化而發(fā)生變化，如果土壤變得干燥，它會增加到較高的負值，而如果土壤再次開始濕潤，則會轉為正值[1]。此外，地下水位的波動也會影響土壤的含水量，從而引起孔隙水壓力的變化。基于此，研究了渠道中三個不同水位引起的孔隙水壓力隨深度的變化，如圖2(a)～圖2(c)所示。

從圖2(a)(渠道頂部的水位)可以看出，在x=5 m時，即在渠道中心，由于水穿過渠道底部，孔隙水壓力從渠道底部的約20 kPa變化到距底部 3 m 深度處的最小值2 kPa。因此，當水通過土壤時，它首先到達渠底，產生高水壓，隨著土壤深度的增加，水流減少，從而導致水壓降低。另一方面，在x=2 m時，所有深度的土壤孔隙水壓力均為負值。值得注意的是，在渠道頂部觀察到孔隙水壓力負值，隨著深度的增加逐漸減小。這是因為流經(jīng)渠道底部的水流比渠道側面高出許多。圖2(b)顯示了當水位位于距渠道頂部1 m的深度時孔隙水壓力的變化情況。在這種情況下，可以看出在x=5 m和x=2 m時的變化規(guī)律相似，但在飽和區(qū)域孔隙水壓力的范圍減小。這是因為渠道里的水量減少了。圖2(c)顯示了水位在渠道底部時，隨深度變化的孔隙水壓力結果，當x=5 m時，渠道底部的孔隙水壓力為零，而距渠底3 m處的孔隙水壓力為-25 kPa。

當x=2 m時，孔隙水壓力為高負數(shù)，表明土體中的含水量非常低。根據(jù)對無襯砌渠道的研究結果，可以得出結論：渠道內不同水位下，渠道表面以下的土壤狀態(tài)從飽和狀態(tài)到非飽和狀態(tài)變化很大。

圖2 不同水位條件下無襯砌渠道的孔隙水壓力隨深度的變化情況

圖3 不同水位條件下襯砌渠道的孔隙水壓力隨深度的變化情況

2.2 水頭對襯砌渠道孔隙水壓力的影響

圖3(a)～圖3(c)顯示了渠道中不同水位下，有襯砌渠道的孔隙水壓力隨深度的變化。結果表明，在其整個深度內存在著較高的負孔隙水壓力。在x=5 m和x=2 m處，孔隙水壓力的變化也相當大。這是由于低滲透性，水通過襯砌的滲透性較低。

2.3 襯砌對孔隙水壓力變化的影響

通過前文得出的結果對無襯砌渠道和有襯砌渠道在不同水位下的孔隙水壓力隨深度的變化情況進行比較，如圖4(a)～圖4(c)所示。結果表明，當渠道水位降低時，負孔隙水壓力顯著增加[2]。對于任何特定水位，有襯砌渠道比無襯砌渠道表現(xiàn)出更高的負孔隙水壓力。這表明在布設襯砌后，滲水量非常低，可知防滲層是降低渠道滲漏損失的有效手段[3]。

圖4 不同水位下有無襯砌的渠道的孔隙水壓力隨深度的變化

3 結論與展望

本文研究了有襯砌和無襯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離處對結果進行了比較。對于無襯砌渠道，當?shù)叵滤槐３衷陧敳克綍r，觀察到孔隙水壓力隨深度的最大變化。由于水流沿水平方向的運動比垂直方向向渠底的運動要小，因此沿渠側的孔隙水壓力變化始終處于非飽和狀態(tài)。當襯砌材料布置在渠道模型中時，土壤的孔隙水壓力發(fā)生了顯著變化。與無襯砌渠道相比，襯砌渠道的負孔隙水壓力非常高，這可以歸因于模型中襯砌材料的導水率值非常低。比較有襯砌和無襯砌兩種情況下不同水深下的孔隙水壓力變化結果，發(fā)現(xiàn)隨著渠道水深的減小，孔隙水壓力變化的差異增大。因此，在渠面應用土工合成襯層可顯著降低滲漏損失，這一點由高負孔隙水壓力所證實。