关于渠道渗流计算方法的选用Word格式.doc
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地层时代
岩性
厚度(m)
分布位置
第四系
全新统人工堆积层(Q4s)
素填土:
黄褐、棕红色,松散,稍湿,以泥岩和砂质泥岩碎块石为主。
2.5~7.8
河道下游两岸
全新统冲洪积层(Q4al+pl)
粉质粘土:
灰褐色,软塑~可塑状。
1.5~4.2
河道底部
粉土:
灰色,松散,稍湿,主要由粉粒组成,含少量粉砂、粘粒,含少量砾石。
3.5~13.8
工程区大部分区域、卵石层上部
卵石:
灰褐色,稍湿,松散~密实状。
10~20
整个场地
侏罗系
上统遂宁组(J3s)
泥岩:
红褐色,泥质结构,薄层~中厚层状构造。
未揭露
丘坡区及覆盖层以下
作者简介:
1.张晋川(1958-),男,四川人,工程师,主要从事水利水电工程设计与管理。
E_mail:
zjca-19@
2.吴昊(1989-),男,四川人,主要从事水利水电工程设计。
283386906@
表2-3物理力学参数一览表
表1-2
指标
土名
重度
γ((KN/m3))
含水率
ω(%)
内摩擦角
Ф(°
)
内聚力
C(kPa)
孔隙比e
渗透系数((cm/s))
备注
粉质粘土
19.2
36.36
7
9
1.02
1.10×
10-5
微透水层
粉土
19.6
30.61
8
10
0.91
2.430×
卵石
20.0
\
21
0.4
2.546×
10-2
中等透水层
泥岩
21.0
25
1.852×
10-4
弱透水层
2.2工程规模
原1#干渠长约6.5km,设计灌溉面积约5000亩,渠道断面为梯形。
渠底宽b=7m,水深约3m,边坡系数m=2,设计纵坡i=1/5000,设计引用流量Q=20.5m3/s。
渠道典型断面图见右图1-1
3.渗漏量计算
原渠道修建于上世纪80年代,区域以微透水的粉质粘土与粉土为主,故对原渠槽进行翻松夯实处理未做其他衬护。
部分砂卵石层出露段采用0.5~0.8m厚土料填筑。
经30多年的正常运行,渗流以基本形成稳定渗流,且经地质勘探,该区域内地下水位并未受渠道内水的渗流而明显变化即对渠底无顶托作用,防渗效果良好。
考虑到整个工程区分布的地层岩性的不同,应用经验公式与解析公式的存在一定的局限性,偏于安全简化设计,将微透水层渗透系数平均值取为0.015m/d。
卵石层渗透系数取为22m/d。
区域大范围为粉质粘土与粉土互层,渠底平均有效微透水层厚度为1m,渠坡平均有效厚度3m。
其中对砂卵石出露的区域(K0+408~K1+057,K5043~K6423)原设计土料防渗有效厚度不低于0.5m。
3.1现场试验法
现场试验主要包括静水法、动水法、点测渗法、沉箱测渗法、双环测渗法等采用动水测量法[1,2]本工程采用动水法即在渠上游与下游实测两个断面流量(适用条件简单)。
渠进口处有闸门控制,Q上=20.5m3/s;
出口测得Q下=20.1m3/s。
每公里渗漏损失量Q损=0.062m3/s/km。
3.2经验公式法
对于渠道的水量损失估算按维杰尔尼可夫[3]公式(式1.1)。
(适用条件梯形断面且不透水层埋藏深厚。
本工程泥岩层未揭示故可引用该式)
表1-3
B/h
2ki
m=1
m=1.5
m=2
2.0
3.0
2.4
1.9
4.0
2.7
2.2
1.8
5.0
2.5
2.1
6.0
3.2
2.3
8.0
3.4
10.0
3.7
2.9
计算得:
Q损=4.6×
10-3m3/s/km
其他经验公式如吉尔什坎公式[3]下式1.2,考斯加可夫公式[3]下式1.3等,
式中:
A,m分别为系数及指数,查表[3]或以实测资料选用(本工程查表取0.7和指数取0.3),l为单位渠道长度(km)。
其余符号意义同前。
分别计算渗流量为4.2×
10-3m3/s/km,0.057m3/s/km。
虽部分经验公式经修正,如门宝辉[4]修正考斯加可夫公式,用积分方法推导得:
符号意义同前:
计算结果为0.047m3/s/km。
但由结果可见,各经验公式间的量差甚大。
3.3比拟法
选择地质条件相似的灌区,根据其防渗的多年实测资料,推算新建渠道的渗漏值。
通过借鉴类似的工程,能收集一些对工程有指导意义的经验。
由于本工程缺少相关资料,故该方法不做评价。
3.4解析法
按毛昶熙[5]《渗流分析与控制》,对稳定渗流的变换公式:
该公式中若土质单一,即k/ks=1,则略去分母。
得到上式即为渠道自由稳定渗流推导式[5]。
故该公式仍然只符合上述3大假定条件。
将不同防渗土层段分别采用该式计算其渗漏量。
成果见下表1-4
各段渗漏量见下表
表1-4
桩号
k
ks
qs
K0+000~K0+203
0.015
/
0.394
K0+203~K0+408
22
3.078
1
K0+408~K1+057
6.124
0.5
K1+057~K2+048
3.843
0.8
K2+048~K4+369
K4+369~K5+043
K5+043~K6+423
加权平均得,每公里渠道损失量:
Q损=0.048m3/s/km
3.5数值法
对于数值法,现阶段最常采用有限单元法计算[3]。
采用有限单元法能使计算法则和程序标准化,即特定的模型特定的解。
为方便比较,本工程采用由南科院编制二维渗流计算微机程序UNSST2。
将分析的渗流场划分成有限个单元,本程序为三角形单元。
渗流量的计算,采用中线法[3]。
(如图1-2)
基本渗流微分方程:
本工程因渗流已达到稳定渗流条件,故按拉普拉斯方程即:
计算模型简图如下图1-3
图1-3,计算模型简图
已知水头边界:
程序中定义渠内水头h1=3m,地下水位线h2=0,且h1、h2与不随时间t变化。
各段分段加权平均得:
Q损=0.043m3/s/km。
由于整条渠道沿途土质并非恒定不变,即渗透系数kx≠ky≠kz,对于渗流系统的模型不该仅用二维平面渗流来确定,但因整条渠道沿途变化量甚小,对渠轴向渗流影响较小[6],故不在用三维渗流软件复核计算。
4结论
对于渠道的渗流计算,无论采用任何一种计算方法,都会存在一定的问题。
现场实测对于防渗效果好的渠道,结果可能会因操作、测量误差等因素而偏离实际情况。
经验公式法,方法众多,但方法之间的结果量差甚大,且不能对非稳定渗流进行计算。
解析法与数值法虽然能得到较为准确的解,但由于适用条件的多样或建立模型的繁琐而工作量大。
设计阶段:
对于小型渠道的稳定渗流计算建议采用门宝辉修正后的经验公式。
对于大型渠道,建议采用解析法或数值法,并对具体的适用条件选择合理的公式或建立模型。
分析及监测阶段建议采用:
现场实测及数值法。
参考文献:
[1]SonenesheinRSMethodstoquantifyseepagebeneathlevee30,Miami-DadeCounty,Florida2001
[2]罗玉峰,崔远来,郑祖金.河渠渗漏量计算方法研究进展[J].水科学进展,2005,16(3):
444-449.
[3]张昌龄,奚景岳,潘家铮.水工设计手册[J].1984.
[4]GreenWH;
AmptCAStudiesonsoilphysics:
I.Flowofairandwaterthroughsoils[外文期刊]1911
[5]毛昶熙.渗流分析与控制[J].2003.
[6]顾宏.南水北调中线工程邯郸段渠道渗流分析[D].河北工程大学,2012.
4
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