西北某灌區(qū)渠道滲漏數(shù)值試驗(yàn)分析研究

顧喜貴

（大通縣寶庫渠管理所，青海 大通810100）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴于水資源，如何有效調(diào)控水資源，保證農(nóng)業(yè)基本用水， 需要人工進(jìn)行水資源干預(yù)或調(diào)控，因而灌區(qū)這類農(nóng)業(yè)水利工程孕育而生［1-3］。 渠道作為灌區(qū)直接發(fā)揮作用的重要載體， 保證渠道的密閉性，提升灌區(qū)灌溉效率，渠道是重中之重，故開展渠道滲漏特性研究具有實(shí)際重要意義［4，5］。 國內(nèi)外已有眾多學(xué)者通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了渠道下臥土層對渠道滲漏特性影響， 及獲得了渠道內(nèi)水流水力特性，為渠道防滲提供了重要參考［6-8］。 還有一些學(xué)者通過設(shè)計(jì)不同材料的渠道形式，研究渠道滲漏特性［9］；另滲漏特性的影響因素很多學(xué)者亦開展了， 通過靜水試驗(yàn)等研究手段， 開展了地下水位或土質(zhì)對渠道滲漏影響規(guī)律［10-12］。 數(shù)值試驗(yàn)作為簡單高效的一種手段［13，14］，能最快效率獲得渠道滲漏結(jié)果，模擬計(jì)算出很長一段時(shí)間內(nèi)渠道入滲狀態(tài)， 為渠道防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要理論參考。

1 工程概況

西北地區(qū)由于水資源受干旱氣候影響， 造成農(nóng)業(yè)灌溉水資源極為珍貴， 故而引黃河之水解決灌區(qū)水源匱乏的棘手問題。灌區(qū)包括有輸水渠道、灌水設(shè)施、引水設(shè)施等，而在本文研究對象所在灌區(qū)共有干渠5條、支流渠7條，最長渠道可達(dá)60km，均可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水灌輸?shù)睫r(nóng)田中，可幫助灌溉農(nóng)田面積5.33萬hm2，引黃至該灌區(qū)內(nèi)水資源量達(dá)10億m3。 作為地區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要水資源輸送渠道， 但由于灌區(qū)規(guī)劃年代久遠(yuǎn)，部分渠道設(shè)施出現(xiàn)老化及破碎，特別是渠道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，表面可見明顯裂紋，造成渠道密閉性降低， 此種現(xiàn)象對西北水資源匱乏地區(qū)更是雪上加霜。由于渠道下臥灌區(qū)土層為季節(jié)性凍土，相對于一般土層來說，其受到凍脹破壞影響，對襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成極大威脅， 為此農(nóng)業(yè)水利部門設(shè)計(jì)采用了格賓石籠襯砌結(jié)構(gòu)形式， 布置在渠道除敞口以外其他部位， 減少渠道內(nèi)水壓力對襯砌結(jié)構(gòu)的沖擊上揚(yáng)荷載，減弱凍土凍脹特性對襯砌結(jié)構(gòu)破壞，加強(qiáng)渠道內(nèi)密閉性，降低水運(yùn)輸損耗率，其中一種襯砌結(jié)構(gòu)布置形式如圖1。 渠道內(nèi)淤積土較嚴(yán)重，且部分漿砌混凝土損壞，渠道部分現(xiàn)狀如圖2。

圖1 不同襯砌結(jié)構(gòu)布設(shè)形式

圖2 渠道現(xiàn)狀

根據(jù)對灌區(qū)內(nèi)地質(zhì)調(diào)查及土層鉆孔發(fā)現(xiàn)， 灌區(qū)內(nèi)屬河流沖積階地，區(qū)域內(nèi)無不良地質(zhì)現(xiàn)象，場地條件較高，北部高程高出南部162m，且北部土層分布亦較厚，主要為耕種栗鈣土，含水量較高，最厚處超過11m，土壤偏堿性，另還有厚度約3.5m的凍土層與種植土堆積交織。灌區(qū)內(nèi)巖層主要為花崗巖，地表出露巖層風(fēng)化程度較高，磨圓度較高，巖層內(nèi)含有破碎夾帶，含有泥巖在夾層中，地下水位較高，地區(qū)內(nèi)氣候除6～8月為冰雪融化期， 其他時(shí)間及季節(jié)均較為很冷。 渠道下部鋪設(shè)有300mm后卵石墊層，以混凝土預(yù)制板作為渠道基本構(gòu)件材料。

2 灌區(qū)渠道滲漏計(jì)算理論與數(shù)值試驗(yàn)

2.1 計(jì)算理論

為改善及提高灌區(qū)內(nèi)輸水設(shè)施的運(yùn)行效率，灌區(qū)管理部門考慮對渠道進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)， 重點(diǎn)降低渠道滲漏特性， 故而本文將以該渠道開展?jié)B漏數(shù)值試驗(yàn)，提升農(nóng)田用水效率。有限元數(shù)值試驗(yàn)方法將渠道滲漏問題轉(zhuǎn)化為二維滲流問題， 基于求解滲流微分方程，進(jìn)而探討渠道內(nèi)滲漏狀態(tài)。

平面滲流狀態(tài)微分方程及邊界條件可表示為：

式中 H0，H1為水頭條件；Г1，Г2分別為邊界條件；q，w分別為流量與蒸發(fā)量。

渠道內(nèi)穩(wěn)定滲流微分方程可解得：

在有限元數(shù)值分析中，利用泛函分析手段，獲得滲流極限值，泛函式即式（3）：

根據(jù)有限元離散插分，式（3）又可表示為：

2.2 數(shù)值模型

本文將利用Geo-Studio有限元軟件開展分析，以SEEP/W模塊建立分析模型，渠道滲流量45m3/s，輸水總量按照渠道放大系數(shù)換算， 其中本工程中渠道放大系數(shù)參數(shù)設(shè)置為1.3，渠道模擬計(jì)算基本尺寸設(shè)定為寬、高為20，3.5m，坡度為0.751，研究區(qū)域分別向上下游延伸500m，渠道基礎(chǔ)以下設(shè)定為100m厚，幾何模型及數(shù)值模型如圖3。施加定水頭、不透水邊界約束。

圖3 幾何模型及數(shù)值模型

為研究影響渠道滲漏不同影響因素， 本文以渠水位與地下水位深度、襯砌形式、格賓石籠寬度3個因素開展?jié)B漏分析，并制定出相應(yīng)研究工況。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 渠水位與地下水位深度對渠道滲漏影響

分別給定渠水位為0.5，1，1.5，2，2.5，3m，地下水位為渠底0.5，9m，為分析方便，本文給出在地下水位0.5，9m下、 渠水位分別為1，2，3m的工況滲流結(jié)果云圖，如圖4。

圖4 滲漏量分布云圖（左、右分別為地下水位0.5，90m）

依據(jù)滲流結(jié)果云圖給出各個工況下渠道滲漏量，如圖5。

圖5 渠道滲漏量（地下水位）

從圖5可看出，當(dāng)?shù)叵滤粸?.5m時(shí)，渠水位亦為0.5m，滲漏量7.42×10-6m3/s，而渠水位依次增加至3m，滲漏量增長幅度為2.94倍，滲漏量亦達(dá)到地下水位0.5m工況中最大值，達(dá)2.92×10-5m3/s，而相比于渠道水位1，2m分別增長了153.9%，43.8%。 根據(jù)分布云圖可看出，隨著渠水位增大，渠道下臥土層中受滲漏影響面積逐漸擴(kuò)散，渠水位1m時(shí)，滲漏主要出現(xiàn)在渠道兩側(cè)邊坡內(nèi)，此處分布較為密集流線，而渠水位增大至3m后，由于滲漏量影響，土體內(nèi)含水?dāng)嗝嬖龃螅纼蓚?cè)邊坡內(nèi)的流體逐漸分散至更深層的土體內(nèi)，滲漏較嚴(yán)重。 相比地下水位0.5m，地下水位90m時(shí)，最大滲流量達(dá)4.28×10-4m3/s，為渠水位3m工況，相比于渠水位0.5m時(shí)，增長了10.9%；而渠水位1，2m時(shí)滲漏量分別達(dá)3.95×10-4，4.17×10-4m3/s， 渠水位3m相比前兩者增長了8.4%，2.6%。與地下水位0.5m時(shí)對比可知，同一渠水位下地下水位增長至90m時(shí)，滲漏量顯著高了1～2個量級，渠水位3m時(shí)，地下水位90m相比0.5m時(shí)滲漏量增長了13.7倍；另對比兩個地下水位之間渠水位增長帶來的滲漏量影響可知， 地下水位90m下，滲漏量顯著高于前者，但在各級渠水位增大過程中滲漏量增長幅度顯著低于前者，地下水位90m時(shí)， 每增長0.5m渠水位， 滲漏量平均增長幅度為2.1%，而地下水位0.5m時(shí)平均增長幅度達(dá)32.2%。 綜上分析表明，地下水位處于較深時(shí)，滲漏量顯著會增大， 但渠水位促進(jìn)滲漏量特征相比淺地下水位時(shí)會削弱，分析指出當(dāng)?shù)叵滤惠^淺時(shí)，渠水位的變化對下臥土層中水力坡度敏感影響性較高， 進(jìn)而帶來滲漏量在不同渠水位中顯著性變化； 當(dāng)?shù)叵滤蛔銐蛏顣r(shí)， 渠水位變化相比于地下水位與土層中水力坡降的差異是微乎其微， 因而深地下水位條件下渠水位的變化，對滲漏量改變較小。

3.2 襯砌形式對渠道滲漏影響

前述渠道采用格賓石籠的透固體襯砌結(jié)構(gòu)形式，但襯砌結(jié)構(gòu)可布設(shè)在渠坡底部、渠底中部、兩側(cè)渠底3種形式，為此，本文將針對3種形式分別給出滲漏計(jì)算結(jié)果。 為分析方便，以地下水位0.5，1m，渠水位1m為例，獲得渠道滲漏結(jié)果云圖如圖6。

圖6 滲漏量分布云圖（左、右分別為地下水位1m、0.5m）

不同工況滲漏量計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 滲漏量與入滲量計(jì)算結(jié)果（襯砌形式）

從圖6、 圖7可看出， 在同一地下水位及渠水位時(shí)，渠坡底部滲漏影響面積最廣，渠底中部影響范圍最小，滲漏量以渠坡底部布設(shè)形式最高，當(dāng)?shù)叵滤?m時(shí)滲漏量達(dá)2.43×10-5m3/s， 渠底中部布設(shè)滲漏量最低，地下水位1m時(shí)滲漏量為前者的85%，達(dá)2.08×10-5m3/s，但渠底中部與渠底兩側(cè)的布設(shè)形式在入滲量上基本一致，均低于渠坡底部的襯砌布設(shè)形式。

為對比不同襯砌布設(shè)形式對渠道滲漏影響，引入孔隙水壓力變化曲線， 本文給出地下水位0.5m時(shí)的渠道右坡內(nèi)孔隙水壓力在渠道內(nèi)變化曲線，如圖8所示， 以線性擬合方式求出三種襯砌布設(shè)形式浸潤線高程值分別為0.007，0.11，0.055m， 故可知在渠道底坡處布設(shè)時(shí)浸潤線下降最大，達(dá)0.493m，渠底中部布設(shè)形式浸潤線下降最少，為0.39m，即可知渠道底坡布設(shè)襯砌時(shí)渠道入滲量最多， 渠底中部布設(shè)形式滲漏最少。綜上所述對比分析，表明不同襯砌形式均會減少渠道入滲量， 但為了減少襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹損壞，渠道入滲量應(yīng)盡量大，防護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)，但入滲量又不應(yīng)過大，而導(dǎo)致孔隙水壓力較大，浸潤線較難下降，因而，選擇兩側(cè)渠底布設(shè)襯砌結(jié)構(gòu)，該種襯砌布設(shè)形式下，入滲量適宜，浸潤線下降較優(yōu)。

圖8 孔隙水壓力變化曲線

3.3 格賓石籠寬度對渠道滲漏影響

本文透固體襯砌結(jié)構(gòu)以格賓石籠結(jié)合土工布為基本形式， 本文將給出不同格賓石籠寬度影響下的渠道滲漏計(jì)算結(jié)果， 設(shè)定寬度值分別為0.01，0.1，0.25，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，5，10m， 渠 道地下水位統(tǒng)一設(shè)定為0.5m。 為了分析方便，本文給出0.1，0.5，3，10m渠道滲漏云圖，如圖9。 不同格賓石籠寬度下滲漏量與浸潤線高程值變化曲線如圖10。

圖9 滲漏量分布云圖（格賓石籠寬度）

圖10 滲漏量與浸潤線高程計(jì)算結(jié)果（格賓石籠寬度）

從圖9、圖10可見，格賓石籠寬度增大，渠道滲漏量水平逐漸增大，浸潤線高程值亦逐漸變大；格賓石籠寬度為0.01m時(shí)，滲漏量1.88×10-5m3/s，當(dāng)寬度增大1000倍， 達(dá)10m時(shí)， 滲漏量亦增大了一個多量級，達(dá)4.34×10-4m3/s。 當(dāng)格賓石籠寬度控制在較小值時(shí)，浸潤線高程仍低于地下水位，格賓石籠寬度為0.1m時(shí)，浸潤線高程為0.2m， 當(dāng)格賓石籠寬度超過地下水位0.5m時(shí)，寬度達(dá)到1m時(shí)，浸潤線高程增大了4.9倍，達(dá)1.18m。 滲漏量與浸潤線高程應(yīng)綜合考慮再選取合適的格賓石籠寬度值，從圖10曲線中可發(fā)現(xiàn)，在寬度為0.5m內(nèi)，滲漏量增長顯著，增長速率較快，滲漏量受寬度影響較為敏感，當(dāng)超過寬度0.5m時(shí)，滲漏量增長曲線變緩，增長速率較慢，從渠道防滲及保護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的角度考慮，以拐點(diǎn)0.5m作為格賓石籠寬度較佳。

4 結(jié)語

（1）研究了渠水位與地下水位對渠道滲漏影響，同一地下水位下渠水位愈高，滲漏量愈大，地下水位0.5m時(shí)，渠水位3m相比0.5m滲漏量增長了2.94倍，達(dá)2.92×10-5m3/s，同一渠水位下，地下水位90m相比0.5m增長了13.7倍，地下水位增大，滲漏量變大，但滲漏量隨渠水位增長幅度減小，每增長0.5m渠水位，滲漏量平均增長為2.1%。

（2）獲得了不同襯砌布設(shè)形式對渠道滲漏影響，其中以渠坡底部布設(shè)為最高滲漏量， 地下水位1m時(shí)滲漏量達(dá)2.43×10-5m3/s， 渠底中部布設(shè)滲漏量最低；浸潤線下降高程最小為渠底中部布設(shè)形式，達(dá)0.39m， 綜合入滲量不宜過大與浸潤線下降高程最佳原則，選擇兩側(cè)渠底布設(shè)，入滲量與浸潤線下降最優(yōu)。

（3）分析了不同格賓石籠寬度對渠道滲漏影響，格賓石籠寬度增大，渠道滲漏量與浸潤線高程均增大，寬度為0.01m時(shí)，滲漏量1.88×10-5m3/s，寬度增大1000倍，滲漏量增大1個多量級；滲漏量隨寬度增大存在臨界拐點(diǎn)，以寬度0.5m為界，超過0.5m時(shí)，滲漏量增長較緩；低于0.5m時(shí)，滲漏量受寬度值變化較敏感。