高地下水位灌區(qū)渠道滲漏數(shù)值研究

隋保生，梁 偉

(聊城市水利局，山東 聊城 252000)

1 概述

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，灌溉用水是主要的農(nóng)業(yè)用水，隨著時(shí)間推移，灌區(qū)渠道內(nèi)滲漏問題越來(lái)越明顯，水資源的大量浪費(fèi)對(duì)于本來(lái)就缺水的地方造成了很大影響，加大對(duì)灌區(qū)滲漏的研究意義重大。

受地下水影響的灌區(qū)渠道內(nèi)襯砌的研究比較復(fù)雜[1]。楊紅娟[2]等對(duì)飽和-非飽和土壤內(nèi)水的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了渠道發(fā)生滲漏時(shí)地下水的變化情況。劉持峰[3]對(duì)渠道內(nèi)滲漏的水力特性進(jìn)行了研究，并提出了對(duì)應(yīng)公式。蔣娟[4]對(duì)寧夏地區(qū)灌區(qū)渠道襯砌的影響因素進(jìn)行了匯總研究。薛禹群[5]對(duì)渠道內(nèi)穩(wěn)定滲漏現(xiàn)象進(jìn)行研究，總結(jié)出非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)公式。數(shù)值模擬在灌區(qū)渠道內(nèi)也用廣泛的應(yīng)用[6- 7]。Soneneshein[8]等人使用MODFLOW軟件建立的地下水模型對(duì)灌區(qū)河渠的滲漏量進(jìn)行了研究。李睿冉[9]、毛曉敏[10]等人使用HYDRUS- 2D軟件對(duì)渠道內(nèi)地下水在土壤中的變化進(jìn)行數(shù)值分析。李梅婷[11]等使用AutoBANK程序?qū)ν腹腆w襯砌渠道的滲漏量進(jìn)行了分析研究，并提出襯砌的設(shè)計(jì)要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)土壤和氣候條件。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)所選灌區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件使用Geo-studio軟件對(duì)不同襯砌布置形式下灌區(qū)渠道滲漏進(jìn)行對(duì)比分析研究。

2 模型建立

灌區(qū)工程內(nèi)水資源總量少且分布不均造成水資源的利用度低，為了解決該問題，在該區(qū)域修建許多灌水渠，總長(zhǎng)達(dá)到1632km，累計(jì)灌溉面積達(dá)到698萬(wàn)畝。

本文對(duì)該灌區(qū)渠道滲漏問題采用經(jīng)典的Geo-studio軟件中的SEEP/W模塊進(jìn)行仿真計(jì)算。通過計(jì)算對(duì)邊坡的不均勻條件、孔隙水壓力等進(jìn)行分析。在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)鼗厩闆r進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，控制方程見式(1)和式(2)。

(1)

式中，kx，ky—x，y—方向滲透系數(shù)；H—水頭；Γ1—已知水頭邊界；Γ2—已知流量邊界；w—入滲量或者蒸發(fā)量；q—邊界法向的流量。

在求解平面滲流問題時(shí)實(shí)際上就是求解函數(shù)在流域D內(nèi)的極值問題，故使得公式(2)求得極小值的函數(shù)H(x，y)即為該問題的解。

(2)

計(jì)算模型采取渠底寬度為20m，坡降為1∶1.75，渠道寬度為3.5m。為方便計(jì)算，渠坡頂點(diǎn)向兩側(cè)延長(zhǎng)480m，渠底下層地基設(shè)置為100m。對(duì)平面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用多邊形，整體采用SWEEP掃掠法，在襯砌部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)量為563216個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)為632518個(gè)。坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)為渠底中心位置，渠道內(nèi)為設(shè)計(jì)水位、左右兩的水位為原始地下水位、模型底部不透水、渠道表面為透水邊界。灌區(qū)內(nèi)渠道局部模型圖，網(wǎng)格剖分圖，渠道整體邊界示意如圖1所示。模型內(nèi)材料分區(qū)內(nèi)滲透系數(shù)見表1。

圖1 有限元模型

襯砌結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)/(m/s)混凝土1.0×10-10預(yù)制板+土工膜1.0×10-13土工膜+礫石1.0×10-13土工布+透固體襯砌2.0×10-4砂壤土4.24×10-6砂土2.49×10-5礫石土5.0×10-4

渠道內(nèi)襯砌采用透固體渠道襯砌形式，對(duì)渠道內(nèi)采用不布置襯砌、全襯砌、部分襯砌(布置在渠坡底部、渠底中間、渠底兩側(cè))5種布置形式進(jìn)行研究。其中，渠底兩側(cè)和渠坡底部透固體襯砌的寬度均為1.5m、渠底中間的寬度為3m。計(jì)算工況見表2。

表2 襯砌布置形式計(jì)算工況

3 結(jié)果分析

3.1 滲漏量分析

對(duì)不同工況進(jìn)行計(jì)算，無(wú)襯砌時(shí)渠道計(jì)算結(jié)果如圖2所示，全襯砌時(shí)渠道計(jì)算結(jié)果如圖3所示，渠坡底部襯砌計(jì)算結(jié)果如圖4所示，渠底中間襯砌計(jì)算結(jié)果如圖5所示，渠底兩端襯砌計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖2 無(wú)襯砌時(shí)渠道計(jì)算云圖

圖3 全襯砌時(shí)渠道計(jì)算云圖

圖4 襯砌布置在渠坡底部時(shí)渠道計(jì)算云圖

圖5 襯砌布置在渠底中間時(shí)渠道計(jì)算云圖

圖6 襯砌布置在渠底兩端時(shí)渠道計(jì)算云圖

根據(jù)圖2—6可知，在不同位置布置襯砌對(duì)于渠道內(nèi)滲流量有影響，在灌溉期內(nèi)滲透量普遍大于非灌溉期。在無(wú)襯砌時(shí)滲透量最大，灌溉期和非灌溉期的滲透量大小分別為：2.52×10-5m3/s、3.99×10-6m3/s。全襯砌的滲透量最小，灌溉期和非灌溉期的滲透量大小分別為：1.47×10-8m3/s、1.48×10-9m3/s。部分襯砌的滲透量在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是相互之間有所區(qū)別。襯砌在渠坡底部的滲透量較大，灌溉期和非灌溉期的滲透量大小分別為：2.43×10-5m3/s、3.91×10-6m3/s。襯砌在渠底中間位置的滲透量較小，灌溉期和非灌溉期的滲透量大小分別為：2.08×10-5m3/s、3.38×10-6m3/s。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 襯砌形式計(jì)算工況

與無(wú)襯砌相比進(jìn)行節(jié)水率的分析，節(jié)水率見公式(3)。

節(jié)水率=節(jié)水量/滲透量

(3)

根據(jù)公式(3)可知，渠坡底端、渠底中間、渠底兩側(cè)、全襯砌的節(jié)水率分別為：3.57%、17.46%、9.92%、100%。可以知道襯砌布置在渠坡底端時(shí)節(jié)水率最低，襯砌布置在渠底中間時(shí)節(jié)水率相對(duì)較高，全襯砌時(shí)節(jié)水率最高，達(dá)到100%。

3.2 浸潤(rùn)線高程分析

對(duì)非灌溉期內(nèi)地下水向渠道內(nèi)入滲時(shí)不同工況下渠道右側(cè)襯砌下表面孔隙水壓力隨Y軸(高程)的變化曲線如圖7所示。

由圖7可知，不同工況下渠坡表面孔隙水壓力隨Y(高程)的變化趨勢(shì)一樣，但是斜率明顯不同。孔隙水壓力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的Y軸坐標(biāo)即為浸潤(rùn)線高程點(diǎn)，無(wú)襯砌、全襯砌、渠坡底端襯砌、渠底中間襯砌、渠底兩端襯砌對(duì)應(yīng)的浸潤(rùn)線高程分別為：0.015、0.007、0.11、0.055、0.499m。無(wú)襯砌時(shí)浸潤(rùn)線下降最嚴(yán)重，高度為0.485m；全襯砌時(shí)浸潤(rùn)線幾乎沒有下降，雖然此種形式下可以明顯減少渠道的外滲漏量，但是幾乎不能降低渠道內(nèi)地下水位，使得渠坡承受較大的揚(yáng)壓力特別在寒冷冬季可能出現(xiàn)嚴(yán)重的凍裂破壞。

在部分襯砌中，襯砌布置在渠底中間時(shí)浸潤(rùn)線下降高度最小，大小為0.39m，渠道外側(cè)水流向區(qū)內(nèi)入滲量最小；襯砌布置在渠坡底端時(shí)浸潤(rùn)線下降高度最大，大小為0.493m，渠道外側(cè)水流向區(qū)內(nèi)入滲量最大。

圖7 模型計(jì)算應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文采用Geo-studio軟件以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，根據(jù)灌區(qū)渠道內(nèi)水利邊界條件進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

(1)從節(jié)水率角度考慮，全襯砌時(shí)效率最高，節(jié)水率為100%；渠坡底端效率最低，節(jié)水率為3.57%。

(2)從浸潤(rùn)線下降幅度，渠道安全角度考慮，無(wú)襯砌時(shí)效果最好，下降幅度為0.485m、全襯砌時(shí)效果最差，下降幅度為0.001m。

(3)工程施工時(shí)，要根據(jù)工程需要進(jìn)行合理選擇。本工程從節(jié)水率、浸潤(rùn)線下降幅度、渠道安全角度、工程材料成本等方面考慮采用襯砌布置在渠底中間為最佳布置形式。