降雨入渗条件下三峡船闸边坡渗流场的变化

第21卷 第2期岩石力学与工程学报 21(2)：238～2412002年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb .，20022001年5月25日收到初稿，2001年6月6日收到修改稿。

* 国家自然科学基金资助项目(59939190)。

作者 刘耀儒 简介：男，27岁，清华大学水利系博士研究生，主要从事FLAC 、并行计算和拱坝动力稳定方面的研究工作。

降雨入渗条件下三峡船闸边坡渗流场的变化*刘耀儒 杜广林 周维垣 赵吉东(清华大学水利水电工程系 北京 100084)摘要 采用饱和渗流模型，对降雨入渗条件下三峡船闸边坡渗流场的非稳态变化情况进行了分析。

结果表明，在降雨量较大时，降雨入渗对高边坡的渗流场还是有一定影响的，但由于排水洞的作用，不会在边坡的浅部和船闸直立墙附近造成过高的压力水头。

因此，降雨入渗对高边坡的稳定影响不大。

关键词 三峡船闸，降雨，渗流场分类号 TV 125，TV 139.14 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2002)02-0238-041 概 述三峡船闸闸室段建立在深挖岩质高边坡基础上，开挖边坡高为70～120 m ，船闸位于一个又高又窄的胡同中，施工期和运行期的稳定性，直接影响到工程施工和运行，以及长江航运的安全。

本文采用饱和渗流模型，对降雨入渗条件下三峡船闸边坡渗流场的非稳态变化情况进行了分析。

2 渗流数学模型[1～3]计算中，将岩体视为多孔连续介质。

稳定渗流状态下的数学模型为0)()()(=∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂z hK z y h K y x h K x zz yy xx (1) 式中：h 为渗流场中任一点的水头，而K l =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡zz yy xx K K K 0 0 0 0 0 0 为岩体单元在整体坐标系 ) , ,(z y x 下的主渗透系数张量。

如果要考虑降雨入渗情况，则需采用不稳定的渗流数学模型，即 )()()(zh K z y hK y x h K x zz yy xx ∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂= W th S −∂∂ (2)式中：S 为岩体的贮水系数，W 为源项，该项即可考虑降雨入渗的情况，其量纲为t /L 2 (时间/长度的平方)。

在源项的计算中，对于某个单元e 的源项表达式为e e e V A W / λ= (3)式中：e W 为单元e 的源项；λ为降雨强度(量纲L /t )，计算中假设此为入渗强度，即单位时间内渗入单位面积的雨量；e A 和e V 分别为有降雨入渗单元e 的受雨面的面积和该单元的体积。

若考虑到主渗透系数的方向不与整体坐标系的坐标轴重合，则应使用各向异性连续介质的不稳定渗流数学模型和渗透系数张量的表达式。

在这种情况下，则式(1)和式(2)分别改为 0()()(=∂∂+∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂+∂∂∂∂zh K y h K x h K z z h K y h K xhK y z h K y h K x h K x zz zy zx yz yy yx xz xy xx(4)W t h S z h K y h K x h K zz hK y h K x h K y z h K y hK x h K x zz zy zx yzyy yxxz xy xx −∂∂=∂∂+∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂+∂∂∂∂)()()( (5) 而K m = ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡zz zy zx yz yy yx xz xy xx K K K K K K K K K 为岩体单元在整体坐标系下第21卷 第2期 刘耀儒等. 降雨入渗条件下三峡船闸边坡渗流场的变化 • 239 •的渗透系数张量。

与主渗透系数张量式的转换关系为K m =TK l T T (6)式中：=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=z n y n x n z y x z y x n n n n n n n n n ηηηξξξT⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡) ,( cos ) ,( cos ),( cos ) ,( cos ),( cos ),( cos ) ,( cos ) ,( cos ),( cos z y x z y x z y x ζζζηηηξξξ (7) 为由方向余弦组成的坐标转换矩阵。

3 计算条件3.1 渗透系数计算中使用的渗透系数如表1所示[4]。

表1 渗流计算中所使用的渗透系数Table 1 Seepage coefficients used in the computation渗透系数/m ·s -1材料号 特 征xx Kyy Kzz K1 南坡深部完整岩体 2.44×10-7 2.44×10-7 1.22×10-62 北坡深部完整岩体2.20×10-7 2.20×10-7 1.10×10-63 强风化带 2.44×10-5 2.44×10-5 2.44×10-54 块状结构岩体 2.44×10-6 2.44×10-6 2.44×10-65破碎岩体8.44×10-6 8.44×10-6 8.44×10-63.2 边界条件及降雨强度在计算所依据的20-20′地质断面上，仅有两个钻孔水位资料可供参考：一个是南坡侧的钻孔水位为178.08 m ，一个是北坡侧的钻孔水位为181.51 m 。

但是，在离船闸较远处缺少钻孔水位资料和渗压监测资料。

因此，只能依据钻孔水位取南坡水位=178.0m ，北坡水位=181.5 m 。

并采用左右两侧定水头边界。

计算方法为有限元方法，分别计算了降雨强度在1 mm / h 和3 mm / h 情况下边坡渗流场随时间的变化情况。

降雨强度及边界条件如表2所示。

3.3 排水洞的处理计算中，为了考虑排水洞对渗流场的影响，采用了排水子结构方法[5]。

计算中采用的排水子结构如图1所示，分为3层，12个20结点等参单元，共104个节点，出口结点为20个。

排水洞的边界采用定水头边界，即认为洞壁上的结点不存在压力水头，而仅存在位置水头。

表2 降雨强度及边界条件Table 2 Rain intensity and boundary condition工况 降雨强度(即入渗强度)初始边界水位(计算中随降雨而略有增加)1无降雨2 1 mm / h ≈2.7×10-7m/s 北坡：181.5 m南坡：178.0 m 闸室底板：92.2 m33 mm / h ≈8.1×10-7m/s图1 排水子结构示意图 Fig.1 Sketch of drainage sub-structure4 计算结果及分析计算结果如图2～7所示。

其中图2为降雨引起的边墙压力水头变化示意图；图3为三峡船闸20-20′断面初始稳定渗流场压力水头分布；图4，5是降雨强度为1 mm / h 时的渗流场压力水头分布；图6，7是降雨强度为3 mm / h 时的渗流场压力水头分布。

图2 降雨引起的船闸边墙压力水头变化示意图 Fig.2 Sketch of pressure water head changes induced byrain in the side-wall of shiplock of TGP-1Fig.4 Pressure water head distribution during 3 hours after-1-1after raining(unit ：3 mm ·h -1)稳定渗流场压力水头分布由图3可看出，在船闸边墙附近，南、北坡约90.0 m 高程以上无孔隙水压力(即压力水头)。

降雨强度为1 mm / h 时的渗流场分布图4和图5分别为雨后3 h 和雨后10 h 的渗流由图4和图5可看出，随着降雨时间的增加，度的较缓慢的上升。

但南、北坡的压力水头变化均∇90.0 m 上∇100.0 m ；远场水位及压力水头的变化则同时可以注意到，在南、北坡的船闸边墙附近，降雨强度为3 mm / h 时的渗流场分布图6和图7分别为雨后3 h 和10 h 的渗流场压由图可看出，在降雨量较大时(若考0.2左右，则入渗强度为315 mm / h 的降雨量)，随着∇100.0 m ，但在稍远处，而在远场，水位从约∇180.0。

∇90.0 m 上升到约∇130.0 m 。

在远场则水位从约∇180.0 m 上升到约第21卷第2期刘耀儒等. 降雨入渗条件下三峡船闸边坡渗流场的变化 • 241 •∇200.0 m。

在南坡，远场水位上升较快，在边坡浅部出现了约10.0～20.0 m不等的暂态压力水头。

但南、北坡的船闸边墙附近，由于有排水洞的存在，压力水头等值线非常稀疏，说明此处的水力梯度和渗透压力都较小。

这也说明排水洞的降排作用明显，对边坡的渗透稳定能起到很有利的作用。

5 结论从计算结果分析以及比较图2～7，可得如下结论：(1) 在稳定渗流条件下，北坡水位要较南坡略高。

(2) 在降雨入渗条件下，雨量较小时，如果历时较长，则南、北坡的压力水头也会有所增加；相比之下，北坡压力水头的变化比南坡较明显一些。

(3) 在降雨入渗条件下，雨量较大时，随着时间的持续，南、北坡的压力水头会较显著增加。

(4) 降雨量较大时，虽然有较高的暂态孔隙压力存在，但在排水洞的附近，压力水头等值线稀疏，说明排水洞对边坡浅部的降排作用非常明显，但对深部的渗流场则没有明显影响。

总之，在降雨量较大时，降雨入渗对高边坡的渗流场还是有一定影响的，但由于排水洞的作用，不会在边坡的浅部和船闸直立墙附近造成过高的压力水头。

因此，降雨入渗对高边坡的稳定影响不大。

参考文献1 周维垣. 高等岩石力学[M]. 北京：水利电力出版社，19892 仵彦卿，张倬元. 岩体水力学导论[M]. 成都：西南交通大学出版社，19953 孙讷正. 地下水流的数学模型和数值方法[M]. 北京：地质出版社，19814 张有天，陈平. 三峡船闸高边坡雨季渗流荷载研究[R]. 北京：中国水利水电科学研究院，19985 朱伯芳. 有限单元法原理与应用[M]. 北京：水利水电出版社，1998SEEPAGE FIELD CHANGES OF SHIPLOCK SLOPE OF TGP UNDERRAINING AND PERCOLATIONLiu Yaoru，Du Guanglin，Zhou Weiyuan，Zhao Jidong( Dept. of Hydraulic Engineering，Tsinghua University， Beijing 100084China)Abstract The unsteady changes of seepage field of slope of TGP shiplock under raining and percolation are anlyzed by saturated seepage model. The computation suggests that raining and percolation do have some effect on the seepage field of high slope，but they don't lead to high pressure water head in the shallow slope and vicinity of vertical wall of shiplock for the existence of drainage holes. Therefore, raining and percolation have slight influence on the stability of high slope.Key words shiplock of the Three Gorges Project，raining and percolation，seepage field“数字式全景钻孔摄像装置”获第13届全国发明展览会金奖2001年9月25日，从云南昆明举行的第13届全国发明展览会传来喜讯，中国科学院武汉岩土力学研究所研制的“数字式全景钻孔摄像装置”获得金奖。