垂直導流板對高地下水位渠道開縫式襯砌的滲漏優化

倪生祥

(喀左縣中三冢水利服務站，遼寧 喀左 122305)

1 工程背景

遼寧省喀喇沁左翼蒙古族自治縣(以下簡稱喀左縣)隸屬于遼寧省朝陽市，位于水資源嚴重不足的遼西半干旱地區，水資源不足和利用效率低下一直是制約當地農業經濟發展的重要瓶頸性因素[1]。鑒于喀左縣境內有大小河流百余條，地表水資源較為豐富，因此在新中國成立之后的數十年中大力進行灌區建設，為促進當地的農業發展和農民增收起到了重要作用[2]。平房子灌區地處喀左縣南部，干旱少雨，自然條件、生態環境較差，水資源比較匱乏。該工程渠首位于平房子水閘處，平房子水閘位于喀左縣平房子鎮山灣子村，地處大凌河、蒿桑河、滲津河交匯點，大凌河中上游。該灌區始建于20世紀70年代，至今已經運行40多年，由于原有渠道建成年代較久，渠道的襯砌工程老化破損問題比較突出，不僅造成較大的渠道滲漏，增加運行成本，同時還造成有限水資源的嚴重浪費。因此，平房子灌區在2015年進行了灌區的渠道襯砌的節水改造。由于平房子灌區由于地處河谷，部分渠段的具有較高的地下水位，最高水位僅有-1.20m，鑒于高地下水位的影響，渠道的襯砌在非灌溉期渠道存在比較明顯的側向水滲入，特別是地下水位高于-2.50m的地段，這種滲入作用十分明顯，由此形成的揚壓力往往會對襯砌結構造成顯著的不利影響，不利于渠道襯砌穩定，同時由于該段渠道的基土含水率較高，極容易在冬季造成凍脹破壞。因此，擬在高地下水位渠段的襯砌節水改造設計中采取襯砌開縫的透水式襯砌結構形式。

2 Seep3D渠道滲流數值計算模型

2.1 模型構建

Seep3D是一種專門用于滲流計算的三維有限元計算軟件[3,14]，該軟件不僅具有較高的計算精度，同時也廣泛適用于不同條件下的滲流計算，被廣泛應用于巖土工程領域的滲流計算。同時，該軟件還具有使用方面的便捷性，在對邊界條件與材料參數進行設置之后，即可用于本次研究中的渠道滲流計算[5]。

本次研究中利用Seep3D軟件，以平房子灌區主干渠樁號為0+1250～0+1550的高地下水位渠段為研究對象，構建三維計算模型。首先，對模型具體尺寸進行設置：按照研究區段的渠參數，將渠道模型的底寬設置為20.0m，深度設置為6.0m，渠道兩側的襯砌厚度設置為0.1m。結合相關研究文獻中的理論和經驗，模型的計算范圍為渠道底部中心向渠道兩岸延伸100m，模型總長度為300m。然后進行模型的計算坐標系設置：以渠道斷面向右的方向作為模型的x軸方向，以豎直向上的方向作為y軸的正方向；渠道縱斷面指向后橫斷面的方向為z軸的正方向。計算模型采取正六面體網格劃分，最終獲得110987個計算單元，98675個計算節點，模型及網格劃分如圖1所示[6]。

圖1 渠道三維有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與材料參數

在模型試驗中，渠道水位是重要的邊界條件，在本次研究中，將渠水位以及渠道左右兩側的側地下水均設置為固定水頭邊界，渠道模型的前后以及底面均為不透水邊界[7]。由于渠道位于河谷地段，結合當地的地質情況，渠道基土砂土以及混凝土襯砌材料的計算參數見表1。為了減小計算量，同時較為準確地模擬渠道開縫形成的透水式襯砌的滲漏情況，在計算過程中將開縫位置以及渠道底部以及渠道兩側的材料設置為砂土，而渠道的其余位置則設置為混凝土襯砌，以實現襯砌開縫透水的目的[8]。

表1 材料參數表 單位：m/s

2.3 計算工況設計

本次研究的數值計算條件為：渠坡底部襯砌為開縫設計，開縫寬度分別為1.0m。模型計算顯示采用上述透水式襯砌設計，在非灌溉期能夠顯著降低渠坡坡面部位的浸潤面高度，大幅降低渠道在冬季的凍脹破壞，提高渠道襯砌的穩定性。但是，在灌溉期雖然的襯砌節水效果并不明顯，仍將因滲漏造成水資源浪費。因此，本次研究試圖在開縫式透水襯砌基礎上進一步優化，也就是在襯砌開縫的邊緣位置設置一定高度的垂直導流板，從而減少渠道的滲流量[8]。垂直導流板的長度分別為0、0.5、1.0、1.5m。計算工況設計見表2。

表2 計算工況 單位：m

3 計算結果分析

利用構建的模型，對不同工況下，渠道襯砌底面的滲流速度和水力坡降進行計算，獲得如圖2—9所示的結果。由圖中的結果可知，滲流速度和水力坡降隨x軸正方向和負方向的變化基本一致，最大滲流速度值和最大水力坡降值均位于渠道襯砌開縫位置附近，且距離開縫位置越遠，流速和水力坡降值也不斷減小。

圖2 工況1流速曲線

圖3 工況1水力坡降曲線

圖4 工況2流速曲線

圖5 工況2水力坡降曲線

圖6 工況3流速曲線

圖7 工況3水力坡降曲線

圖8 工況4流速曲線

圖9 工況4水力坡降曲線

對4種不同工況下，渠道滲流量、襯砌下底面的最大滲流速度以及最大水力坡降進行計算，結果見表3。由表中的計算結果可以看出，在灌溉期正向滲流條件下，渠道滲流量、最大流速和最大水力坡降則隨著垂直導流板長度的增加而減小。另一方面，從表格中的數據可以看出，當垂直導流板的長度在1.0m以內時，渠道滲流量的減少速率較大，而垂直導流板的長度在1.0m以上時，渠道滲流量的減小速率較小。因此，導流板長度在1.0m左右時，可以起到明顯的防滲作用。

表3 不同垂直導流板長度的數值計算結果

利用表3中的渠道滲流量計算結果，利用三維有限元數值模型可以進一步計算獲得不同工況下的渠道襯砌節水率以及浸潤面最大高程，具體計算結果見表4。由表中的數據可以看出，隨著垂直導流板長度的增加，渠道滲流量逐漸減少，與之對應的是渠道襯砌的節水率在不斷提高，浸潤面的最大高程逐漸降低為0。具體而言，當導流板長度為0m時，渠道滲流的最大流速和最大水利坡降最大，滲流量也最大，襯砌節水率為43.30%，浸潤面的最大抬升高度達到1.75m；當導流板的長度為0.5m時，襯砌節水率為57.12%，浸潤面最大抬升高度為1.53m；當導流板的長度為1.0m時，襯砌節水率為68.22%，浸潤面最大抬升高度為1.50m；當導流板的長度為1.5m時，襯砌節水率為57.12%，浸潤面最大抬升高度為1.50m。

由此可見，當導流板長度在1.0m以下時，隨著導流板長度的增加，渠道襯砌的節水效能提升明顯，但是隨著導流板長度的進一步增加，對襯砌節水效果的提升并不十分顯著。

表4 渠道襯砌節水率以及浸潤面最大高程計算結果

4 結語

以遼寧省喀左縣平房子灌區高地下水位渠段為例，利用Seep3D軟件針對襯砌開縫式透水襯砌設計中開縫下部設置垂直導流板對渠道防滲作用的影響開展研究，以獲取最佳的垂直導流板長度設計，為工程設計和建設提供理論支持。模型計算結果顯示，在灌溉期正向滲流條件下，渠道滲流量、最大流速和最大水力坡降則隨著垂直導流板長度的增加而減小。當垂直導流板的長度在1.0m以內時，渠道滲流量的減少速率較大，而垂直導流板的長度在1.0m以上時，渠道滲流量的減小速率較小。從渠道襯砌節水率來看，當垂直導流板長度在1.0m以下時，隨著垂直導流板長度的增加，渠道襯砌的節水效能提升明顯，但是隨著導流板長度的進一步增加，對襯砌節水效果的提升并不十分顯著。綜上所述，結合渠道建設的經濟性，建議在渠道結構設計中采取長度為1.0m的垂直導流板。