不同渠道襯砌材料滲漏性的比較研究

符林星

(東莞市橋頭鎮水務工程運營中心，廣東 東莞 523000)

0 引 言

人類從遠古時代開始就進行灌溉，并一直在修建灌溉渠，水的輸送和分配是灌溉不可或缺的一部分[1]。設計灌溉系統時應令其以最大的效率運行[2]。但在大多數發展中國家，灌溉水利用系數還是呈現偏低的情況[3]。水運輸和分配系統的效率從根本上影響了灌溉項目的經濟成本[4]。在中國，通常使用磚、現澆混凝土、水泥混凝土、瀝青等材料進行襯砌。其中磚襯砌和混凝土襯砌是使用最多的。文章研究了以上兩種主要襯砌的成本類型，對其年度成本進行了估計并對從經濟性的角度進行了分析。

為了確保水的有效利用，需要將渠道的水量損失降到最低[5]。滲流損失是渠道失水的主要因素之一。滲透率可通過直接測量或通過估算獲得，由于渠道連續工作且渠道寬度較大，實際上不可能通過直接法測量出渠道的滲流；由于流量差異小，流入-流出方法也不適用于短距離的渠道滲流測量；滲流計技術需要大量的數據才能得出平均的滲流值。文章采用前人所提出的滲流方程，設置了無襯砌、磚襯砌、砂漿襯砌、混凝土襯砌四種襯砌模式，分別計算其滲流量，以期得到最優的襯砌模式。

1 應用工程概況

文章以廣東省東莞市某灌溉渠道為例。灌區灌溉面積為30.4hm2，渠道長度為62.13 km，設計流量為62.70m3。由于在渠道14.61-16.50km之間的范圍森林存在，因此在施工期間土方工程和襯砌工程未完成。研究所有參數均取自該渠，對現有的備選襯砌類型進行了使用壽命和經濟可行性的比較、并通過計算，分別得到了所設置四種襯砌模式的滲漏量。

2 不同渠道襯砌材料比較與經濟性分析

2.1 不同襯砌材料的比較

根據實地調查，統計資料等手段，得出了表1中顯示的兩種不同的襯砌成本類型及年度成本的比較。

表1 比較襯砌類型的年度估計成本 元

從經濟角度和耐久性方面考慮，渠道的襯砌價格昂貴。在常規地形中，帶襯砌渠道的成本是同等規模不帶襯砌土渠的兩倍；然而在崎嶇的地形中，由于地形原因，節省了有襯砌渠道開挖方量，襯砌渠道的初始成本可能會比無襯砌渠道便宜。在有襯砌的渠道中，不同的情況適用不同的襯砌類型，表2展示了磚和混凝土襯砌的比較情況。

表2 磚和混凝土襯砌的比較研究

2.2 經濟性分析

可變因素，包括流速速、流量、建筑材料種類、襯砌的厚度和類型、邊坡、排水的有效性、滲漏、風和相鄰田間土壤的穩定性，這些因素都會影響維護成本，許多因素難以把控。鑒于所列舉因素的數量和可變性，通常的辦法無法對項目之間的成本進行比較，但可以從同一項目或運營項目的現有渠道成本數據中獲得有襯砌渠道和無襯砌渠道的運營和維護成本。在相似的氣候，地理和農業條件下。之前一個項目證明了襯砌的應用是能提高工程的使用壽命和降低成本的，但所使用的襯砌類型必須從使用壽命的角度考慮維護成本和最終更換成本。大多數襯砌在很多年后仍然發揮效果。

襯砌類型的選擇應考慮以下因素： ①土壤條件及其性質；②灌溉需水量和土地價值；③容易獲取的當地材料種類；④人工條件；⑤機械設備條件。

3 不同襯砌方式的渠道滲漏量比較

隨著人類需求的持續增長和尋找新的能源供應越來越困難，節約用水顯得尤為重要。無襯砌的渠道會因滲漏而損失大量的水。滲流損失不僅會導致淡水資浪費竭，還會導致水淹，鹽堿化和地下水污染等后果。有襯砌的渠道以減緩滲流損失，對節約水資源和水資源可持續利用有重要的意義。

3.1 方法

為了對灌溉系統進行有效的運行規劃和管理，準確的滲水量計算是非常重要的。實驗室渠道的滲流速率可以通過直接測量或估計得到，但對實際渠道的滲漏損失進行精確分析是相當復雜的。本研究采用Swamee等人提出的公式，假設不同的滲透系數，計算不同渠道中無襯砌和不同襯砌下的滲流損失。

3.2 影響渠道滲漏率的因素

從理論、實驗室實驗結果和實際工作情況的角度分析，渠道的滲漏率受到下列因素的影響：①土壤的內在滲透性；②渠道浸潤的長度和形狀(濕周)；③渠道中水的深度；④地下水位的位置；⑤在地下水上部的結構，如水井、河流、排水溝、不滲透邊界等；⑥地下水位與地面水位之間的土壤吸力；⑦水的黏度(可以忽略不計)；⑧水的鹽度；⑨泥沙負荷與粒徑分布；⑩渠道的使用年份。

3.3 不同襯砌材料的滲漏參數

帶有襯砌結構的渠道可以控制滲流。但是隨著時間的流逝渠道襯砌會劣化，因此，發生劣化的襯砌渠道會繼續產生大量的滲漏損失，在渠道設計中必須考慮滲流損失的影響。結構密實的襯砌可防止渠道滲水，但導致裂縫的形成有很多原因，不同種類襯砌的滲流系數是關鍵性的因素。研究收集了大量數據，統計整理出不同襯砌材料的滲透系數，見表3。

表3 不同材料的滲透率

3.4 計算渠道滲漏損失

當流量差很大時，即在無限制的流動條件下，渠道的滲漏損失是最大的。地下水位很大時，在均質各向同性的多孔介質中，未襯砌或有襯砌的渠道的穩定滲漏損失可以表示為：

qs=kynFs

(1)

式中：qs為單位運河長度的滲流量，m2/s；k為滲透系數，m/s；yn為渠道中的正常水流深度，m；Fs為滲流函數(無量綱)，它是通道幾何形狀的函數。

針對已知渠道尺寸的特定條件的不同集合來估計出滲透函數。其分析形式包含積分和未知的隱式狀態變量，不便于從現有渠道中直接獲得，并且在設計滲水損失的渠道時并不方便。為了簡化截面的滲流功能，使用Swamee等人提出的數值方法，簡化了滲流功能的計算公式，具體表達式如下：

(2)

式中：m為邊坡系數；b為渠道寬度；y為水流深度。對于已知渠道的尺寸，可以針對特定條件估算滲流函數。進而代入公式(1)中計算其滲流量。

3.5 計算結果

如前所述，研究設置了無襯砌、磚襯砌、砂漿襯砌、混凝土襯砌四種襯砌模式，通過上述Swamee等人提出的方法計算并比較了不同渠道未襯砌和不同襯砌的估計滲漏損失，具體結果如表4所示。

表4 不同渠道未襯砌和不同襯砌的估計滲漏損失結果

為了更直觀展示滲漏量的對比情況，將表4以柱狀圖的形式展現。如圖1所示.

圖1 不同襯砌方式的滲流損失比較

從表4、圖3可以看出，在不同的渠道中不同襯砌方式的滲漏量也有所不同，但有一個共同的趨勢，未襯砌的滲漏量大于磚襯砌形式，磚襯砌形式的滲漏量大于水泥砂漿襯砌形式，水泥砂漿襯砌形式的滲漏量大于混凝土襯砌形式。從圖中可以看出，未襯砌的滲漏量是有襯砌的數倍。

4 結 論

主要對不同類型襯砌的壽命周期及其耐久性進行了研究，主要比較了混凝土襯砌和磚襯砌的差異。從施工、檢查、成本、建筑費、剩余價值、總折舊、年利率、年度維護費的角度估計了兩種襯砌的經濟成本，并從養護、后期強度等方面進行綜合評估，研究表明在大多數情況下混凝土襯砌比磚襯砌更適用。

渠道中水的流速增加，將導致滲流損失加劇。通過對渠道進行襯砌，可以顯著降低渠道的滲漏損失、水淹、淤積等。文章設置了四種襯砌模式，通過計算并比較了不同渠道未襯砌和不同襯砌的滲漏損失，未襯砌的渠道的平均滲漏損失為0.415m3；磚襯砌的運河的平均滲漏損失為0.0511m3；水泥砂漿襯砌的平均滲漏損失為0.0028m3；混凝土襯砌的平均滲漏損失為1.2×10-4m3，滲漏損失分別減少了近87.68%，99.30%和99.97%。這進一步說明了混凝土襯砌適用于大多數渠道。