渠道排水管的位置對減小渠道揚壓力的影響

方攀博，王 兵，陳思涵，韓延成

（1.濟南大學，濟南250022；2.山東省調水工程運行維護中心山東萊州管理站，山東萊州261400）

0 引言

明渠是大型調水工程的主要輸水形式之一。排水系統對有效降低地下水水位，保證渠道邊坡穩定和渠道安全具有重要意義［1，2］。對于渠道地下水位過高引起的邊坡襯砌破壞問題，一般可通過水平排水管及時排出邊坡土體內水分從而降低渠道邊坡的地下水位來減少地下水壓力對渠道的破壞［3-5］。對渠道內排水問題，沿渠道縱向在襯砌板下土體內布設單排或雙排排水管排水（本文稱為縱向排水）是南水北調中線、南水北調東線、引黃濟青等大型長距離調水工程中廣泛采用的排水方式［6］。另外，根據學者們的研究，將排水管垂直邊坡方向以小角度仰角插入坡體進行排水，在重力的作用下進行自流排水，具有經濟性等特點［7］。采用地下暗管方式對地下水進行排水控制具有節省土地、易于施工等優點［8］。另外，軟式透水管也越來越多被應用到工程中，其具有經濟、耐腐蝕、適應復雜地形等特點［9-11］，但在土質邊坡中，軟式透水管的淤塞問題導致排水效果明顯減弱［12］。

顯然，不論哪種排水方式，排水管的布設高度、角度等均對排水效果有影響。學者們已經對垂直岸坡排水方式的排水管傾斜角度，高程和插入土體的深度以及不同排水方式相結合［13-15］等方面均進行了研究，但缺乏對縱向（沿渠道）排水管排水方式中排水管的布設高度、深度對排水效果影響方面的研究。

本文以山東省膠東調水工程萊州段趴埠周家橋至后趴埠東交通橋段渠道為例，根據排水設施的實際運行效果，采用數值模擬方法研究在不同高度和深度沿渠道布設縱向排水管對渠道兩側和渠底的降壓排水效果，結合各不同渠道區段的比降和泥沙淤積情況，研究布置排水管的最佳位置，以達到排水管道不被淤堵的情況下排水降壓效果最大化，為渠道邊坡防揚壓破壞提供參考。

1 研究區域概況

1.1 工程概況

膠東地區引黃濟青調水工程是山東“T”字型調水大動脈的重要組成部分。研究區位于膠東引黃調水工程萊州段，萊州市境西南部沿海低緩丘陵區，地處趴埠周家橋（樁號62+509）至后趴埠東交通橋段（樁號64+909）之間，東經119°49′33.213″～119°51′20.358″，北緯37°10′10.380″～37°11′19.691″。此段兩岸地勢較高，渠道位置較低，地下水位較高。目前采用垂直岸坡水平橫向排水方式，每隔10 m 一個。工程自2015年通水以來，此段渠道揚壓力破壞嚴重。主要存在的問題是邊坡襯砌板出現嚴重塌板現象，渠底鼓板和襯砌板沖起現象嚴重。例如，2016年7月停水檢查發現62+422右壩塌板，62+612渠底襯砌板及64+200 渠底板沖起。2017年停水檢查發現62+014～64+897渠底鼓板或內邊坡塌板48 處，渠道原排水器前后淤堵比較嚴重，多處排水器從襯砌板處鼓出。頻繁的襯砌板損壞修復耗費了大量人力物力，大面積的段襯砌板和渠底破壞導致渠道的輸水流量無法滿足原設計要求，輸水能力下降，嚴重影響工程安全運行，甚至造成輸水中斷等事故。由于現狀排水效果不佳，所以擬改為引黃濟青、南水北調中線等采用的縱向排水方案，但排水管放在何高度、深度最合理呢？本文針對這個問題進一步開展了研究。

1.2 水文地質條件

根據山東省地質礦產勘查開發局第三地質大隊勘查結果表明，該區風化帶厚度為23.00～25.60 m，裂隙分布均勻，構成層狀含水層；水位埋深5.02～13.97 m，水位標高為13.21～20.36 m。4 個水文監測井的抽水試驗結果表明，單位涌水量0.009～0.330 L/（s·m），明渠右側透水性明顯好于左側，右側單位涌水量0.22～0.33 L/（s·m），右側巖土的滲透系數1.653～6.494 m/d（1.91×10-3～7.52×10-3cm/s），屬于中等透水性巖層；左側單位涌水量0.009～0.090 L/（s·m），滲透系數0.080～0.546 m/d（9.26×10-5～6.32×10-4cm/s），屬于弱透水性巖層。根據滲透實驗得出研究區地層滲透系數如表1所示。

表1 不同地層滲透系數值Tab.1 Permeability coefficient values of different formations

2 數值模型的建立

2.1 滲流控制方程

二維飽和-非飽和滲流一般控制方程為：

式中：H為總水頭，m；kx為x方向的滲透系數，cm/s；ky為y方向的滲透系數，cm/s；Q為施加的邊界流量，m3/s；θ為單位體積含水量。

單位體積含水量的變化與孔隙水壓力的關系如下：

式中：mw為儲水曲線斜率；uw為孔隙水壓力，N/m2。

總水頭H定義為：

式中：uw為孔隙水壓力，N/m2；γw為水的容重，kg/m3；y為高程，m。

由上述方程式（1）～（3）重新整理得：

2.2 建模介紹

選用二維模擬軟件中滲流模塊，通過已有的土體參數和資料設置模型的材料屬性和邊界條件，對整個幾何模型進行有限元網格剖分，并進行地下水滲流分析計算。

渠道邊界條件設置如下：由于渠道襯砌板下有防滲膜，實測滲漏量非常小，與設計相符，因此渠道底部概化為不透水邊界；渠道兩側設為定水頭邊界。水頭設置根據往年的地下水觀測數據，取最不利組合，選取渠道兩側監測井最高水頭（左側總水頭為20.320 m，右側總水頭為20.631 m）；渠內排水管設置為自由出流的邊界。

2.3 渠道兩側排水管布置及位置設置

本文只考慮渠道兩側邊坡內排水管位置情況（如圖1所示），對其他形式暫不做研究。排水管直徑為10 cm，四周概化為自由滲流邊界。研究排水管位置在不同高度和水平深度變化時對排水降壓效果的影響。其中水平深度為含水層在水平方向上的深度，均不考慮襯砌板、保溫板等厚度。

圖1 排水管布置圖Fig.1 Drainage pipe layout drawing

（1）排水管位置高度變化。在渠道兩側沿邊坡方向設置兩排排水管（到渠道兩側的水平距離分別為0.075、0.100 m，見圖1）。每排距離渠底（高程18.93 m）的高度分別是18.93、18.98、19.03、19.08、19.13 m，具體見圖2。

（2）排水管位置水平深度變化。在高度18.98、19.03、19.08 m 3個高度設置三排排水管（見圖1）。在同一高度，各位置排水管圓心到渠道兩側（不考慮襯砌板、保溫板等厚度）的水平距離分別為0.075、0.100、0.125、0.150、0.175、0.20、0.225、0.275、0.325、0.375 m具體見圖2。

圖2 渠道右側排水管位置圖Fig.2 Location map of the drain pipe on the right side of the channel

由于渠道左右兩側排水管位置對稱，現取渠道右側詳細說明排水管的位置（如圖2所示）。圖2 中X軸為排水管水平位置，Y軸為排水管垂向高程，具體圓心位置坐標見表2。

如圖2所示，不同排水管位置與對照組（不設排水管）共組成了35 種模擬位置（見表2），并分別與不設排水管的位置（對照組）進行對比。模擬時，排水管管徑和邊界條件不變，只改變其位置。

表2 位置設置Tab.2 Location settings

3 渠道排水管不同位置降壓效果模擬結果分析

3.1 總水頭分析

對渠道兩側不設排水管和34 個位置布置排水管的共計35種布置（見表1）分別進行模擬，可以得到排水管放置在渠底及邊坡上不同位置處的總水頭。圖3 為排水管布置在位置6 時的總水頭分布圖，進而可以得到渠底及邊坡處的總水頭。圖4 為排水管布置在35 個不同位置時得到的渠底及邊坡處的總水頭。

圖3 排水管在位置6的總水頭分布圖Fig.3 Total head distribution of the drain at position 6

圖4 不同位置渠底及邊坡處總水頭圖Fig.4 Total water head at the bottom of the channel and at the slope at different locations

從圖3中可看出地下水位在排水管附近有明顯下降。從圖4可以得到渠道兩側沒有布置排水管時左邊坡坡角處的總水頭為20.437 m，右邊坡坡角處的總水頭為20.463 m；在渠道兩側邊坡布置排水管后，其坡角附近的總水頭下降至19 m 左右，比未布置時總水頭下降約1.44 m，占渠底以上水頭的95.5%，可見布置排水管效果明顯。

由圖4 可以看出，位置34（見表2）的排水效果明顯不如其他位置，故不推薦此種布置位置。其余位置中位置2 排水效果最好，渠道左邊坡坡角處的總水頭為18.88 m，右邊坡坡角處的總水頭為18.91 m，低于渠底高程，在不考慮泥沙淤積等因素的情況下此種位置優于其他位置。

3.1.1 渠底水頭分析

為便于對比分析，在垂直方向選擇距渠底5，10，15 cm（高程分別為18.98，19.03，19.08 m）3 種高度的3 組排水管（共計30個位置），得到各排水管距渠道邊坡的水平距離與渠底總水頭關系見圖5，不同高度與渠底總水頭關系見圖6。

圖6 不同高度與渠底總水頭關系圖Fig.6 The relationship diagram of the bottom water head at different heights

從圖5 中可以看出，3 種不同高度（18.98、19.03、19.08 m）的渠底水頭分布趨勢，總體分布規律相近。在高度一定時，總水頭分布均呈“U”型，存在最小水頭值。高度不同，最小水頭值位置不同。高度為18.98、19.03、19.08 m 的三組排水管中，水頭值最小的位置分別是位置6、16 和25（見表2），分布在渠道兩側距離邊坡0.1～0.125 m 處。其原因是部分地下水沿渠底作繞流運動，繞流路徑隨排水管到渠道兩側的繞流路徑先減小后增大。

圖5 不同水平距離與渠底總水頭關系圖Fig.5 The relationship diagram of the canal bottom head at different horizontal distance

從圖6 可以看出，到渠道兩側（不考慮襯砌板、保溫板等厚度）的水平距離一定的情況下，高度越高其水頭越大，排水效果越差，其原因是排水管的布置位置低更容易排出渠道附近的孔隙水。

3.1.2 渠道兩側水頭分析

選擇三組不同高度（18.98、19.03、19.08 m）對比分析，得到排水管在渠道左側位置與總水頭關系圖（見圖7）和渠道右側位置與總水頭關系圖（見圖8）。

圖7 渠道左側位置與總水頭關系圖Fig.7 The relationship between the left position of the channel and the total head

圖8 渠道右側位置與總水頭關系圖Fig.8 The relationship between the right position of the channel and the total head

根據圖7 可得，在高度一定時，排水管位置隨著水平位置X坐標的增大，總水頭分布呈上升趨勢，對渠道兩側的排水效果逐漸降低。3組不同高度（18.98、19.03、19.08 m）的排水管，分別對應排水效果最佳位置分別為是位置4、14 和24，（具體見表2）。

圖8所示的排水管在渠道右側總水頭分布趨勢及排水效果與排水管在渠道左側情況大致相同。通過上述對比可以得出，在降低渠道兩側總水頭時，排水管的水平位置越靠近渠道兩側邊坡，排水效果越好。

3.2 孔隙水壓分析

同樣，對渠道兩側不設排水管和34個位置布置排水管的共計35 種布置（見表1）分別進行模擬，可以得到渠道兩側及底部含水層的孔隙水壓力。圖9 為排水管布置在位置6 時的水壓力分布圖，進而可以得到渠道兩側及底部含水層的孔隙水壓力。圖10 為排水管布置在35個不同位置時得到渠底及邊坡處的孔隙水壓力圖。

圖9 排水管在位置6的水壓分布圖Fig.9 Water pressure profile of the drain at position 6

渠道兩側沒有安裝排水管時其左邊坡坡角處的水壓為14.7 kPa，右邊坡坡角處的水壓為15.0 kPa，在渠道兩側邊坡布置排水管后，其渠道兩側附近的水壓變化明顯，降低至2.3 kPa左右。布置排水管比未布置排水管時水壓下降了約12.7 kPa，水壓變化幅度為84.6%，可見布置排水管的降壓效果明顯。渠道兩側不布置排水管和不同位置布置排水管的水壓具體分布情況如圖10所示。圖9為排水管在位置6的水壓分布圖。

圖10 不同位置渠底及邊坡處總水壓圖Fig.10 Diagram of total water pressure at the bottom of the canal and the slope at different locations

從圖10 不同位置渠底及邊坡處總水壓圖可以看出排水管不同位置對渠底及邊坡的降壓效果也有影響，其中位置34的降壓效果不如其他位置，故不推薦此種位置。其余位置降壓效果較為接近，渠道兩側的水壓都在3 kPa以下，降壓效果較好。

3.2.1 渠底水壓分析

選擇3組到渠道兩側邊坡不同水平距離和兩組不同高度位置工況進行對比分析。得到排水管到渠道兩側邊坡的水平距離與渠底的水壓關系圖（如圖11）和不同高度與渠底的水壓關系圖（如圖12）。

圖11 不同水平距離與渠底的水壓關系圖Fig.11 The relationship between different horizontal distances and canal bottom water pressure

圖12 不同高度與渠底的水壓關系圖Fig.12 The relationship between different heights and the water pressure at the bottom of the canal

從圖11可看出，與總水頭線類似，在高度一定時，渠底水壓分布呈“U”型，存在水壓最小值。不同高度，最小水頭值位置不同。3 組高度為18.98、19.03、19.08 m 的排水管中，水壓最小值對應的是位置6、16 和25（見表2）。從圖12 得出在高度不同且排水管到渠道兩側邊坡水平距離一定（具體見圖2）時，高度越高其水壓越大，降壓效果越差。

3.2.2 渠道兩側水壓分析

選擇3組不同水平位置工況進行對比分析。得到排水管到渠道左邊坡的水平距離與水壓關系圖（見圖13）和排水管到渠道右邊坡的水平距離與水壓關系圖（見圖14）。

圖13 左邊坡水平距離與水壓關系圖Fig.13 The relationship between the horizontal distance of the left slope and the water pressure

如圖13 和圖14所示，在高度一定時，隨著排水管到渠道邊坡水平距離的增大，孔隙水壓分布呈上升趨勢，對渠道兩側的降壓效果逐漸降低。3組高度（18.98、19.03、19.08 m），分別對應降壓效果最佳位置分別為是位置4、14、24，（具體見表2）。

由圖13和圖14中3組降壓效果對比結果可知，在排水管到渠道兩側邊坡的水平距離一定時，排水管高度越小，排水效果越好。通過上述位置對比可以得出在降低渠道兩側壓力時，排水管的水平距離越小、高度越低，降壓效果越好。

圖14 右邊坡水平距離與水壓關系圖Fig.14 The relationship between the horizontal distance of the right slope and the water pressure

4 考慮渠道不同區段淤積問題的排水方案選取

從實際工程的排水管運行情況看。排水管的位置除了考慮排水降壓效果外，還要考慮泥沙淤積堵塞問題。因此計算各渠段的水流挾沙能力，對分析泥沙的淤積情況十分必要。

4.1 渠道水流挾沙力計算

4.1.1 引黃濟青工程黃河水含沙量情況

由于膠東地區引黃調水工程和引黃濟青工程共用沉沙池沉沙［16］。在引黃濟青工程運行的過程中［17］，其引水進口閘含沙量平均在5.04 kg/m3，沉沙池出口閘平均含沙量在0.078 kg/m3。近幾年受黃河調水調沙影響［18］，黃河河槽下切，水流平穩，黃河水含沙量在0.28～3.76 kg/m3之間，只有在汛期含沙量較高，平時黃河水含沙量基本在1 kg/m3以下，平均含沙量0.86 kg/m3。

4.1.2 黃委會水科所公式

根據引黃渠道即黃河河道大量觀測資料的分析研究，得出的挾沙能力經驗公式為［19］：

式中：ρ為水流的挾沙能力，kg/m3；v為斷面的平均流速，m/s；H為平均水深，m；B為水面寬度，m；g為重力加速度，m/s2；w為加權平均泥沙沉降速度，cm/s；R為水力半徑，m。

4.1.3 不同渠段的水流挾沙力計算

由縱斷面設計圖可知，樁號62+509～64+838 區段，全長3 100 m，渠底比降1/3 000；樁號64+838～64+909 區段渠底比降為1/12 000。渠道兩側和渠底由預制混凝土六邊形襯砌，設計邊坡1∶1.5，設計水深2 m，設計底寬4 m，襯砌高度3.5 m。

由上述黃委會水科所公式，結合曼寧公式和水力半徑公式計算得到各渠段水流挾沙力結果如表3所示。由表3 可看出，在樁號61+738～64+838 渠段，水流挾沙能力為16.450 kg/m3，本渠段的挾沙能力遠大于渠首沉沙池的含沙量（0.078 kg/m3），因此不會發生淤積。在樁號61+738 之前和64+838 之后，挾沙能力為2.057 kg/m3，也不會發生淤積。

表3 各渠段水流挾沙力計算Tab.3 Calculation of sediment carrying capacity of water flow in each channel

經過多年的運行，本段渠道并無發生淤積，計算結果與實際相符。

4.2 排水管布置方案選取及建議

排水管布置方案需要綜合考慮泥沙淤積和減壓效果。由于部分渠道渠底和渠側抗揚壓力能力可能不同，減壓效果又需要綜合考慮渠道兩側和渠底。根據滲流模擬結果，對樁號62+509～64+838渠段，排水管的布置位置距離渠道兩側水平距離和渠底距離越近，則降壓效果越好，在高度位置上，則是距離渠底越近，降壓效果越好。考慮到位置2、3 在靜水情況下會導致泥沙的淤積和堵塞，予以排除。根據模擬結果，對工程側重于渠道兩側降壓時可選擇水平位置和高度盡可能小的位置4；工程側重于渠底降壓時根據不同高度，可選擇位置6、16、25，（見表2）。

在樁號64+838～64+509渠段，水流挾沙能力為2.057 kg/m3，根據模擬結果，在此渠段可以適當升高渠道兩側排水管的位置，可選擇位置15進行布置。盡可能選擇在黃河含沙量較低的非汛期時段進行引水作業［18］，減少渠道的泥沙輸入，降低排水管的淤堵情況。

綜合考慮泥沙淤積和減壓效果，樁號62+509～64+838 渠段，最優位置是位置4；樁號64+838～64+509 渠段，最優位置是位置15。

5 結論

本文通過設置多組位置分別探究排水管位置到渠道兩側邊坡（不考慮襯砌板、保溫板厚度）和渠底不同距離對降壓排水效果進行研究，得到不同情況下排水管布置的最佳位置，結論如下。

（1）渠道底部總水頭水壓分布情況及排水管位置布置。在高度一定時，渠底總水頭值和水壓值隨著排水管到渠道兩側邊坡水平距離的增加，呈“U”型分布，說明在降低渠底總水頭和水壓時，存在最佳降壓排水位置。根據不同高度（18.98、19.03、19.08 m），分別對應的最小水壓值位置是位置6、16 和25（見表2），分布在到渠道兩側邊坡距離0.1～0.125 m；在排水管到渠道兩側邊坡水平距離一定時，排水管位置高度越小，其排水降壓效果越好。由上述可得到渠道底部排水降壓最佳位置為位置6，見表2。

（2）渠道兩側總水頭水壓分布情況及排水管位置布置。在高度一定時，隨著排水管到渠道兩側邊坡的水平距離的增加，渠道兩側的水頭水壓分布呈上升趨勢，排水降壓效果依次降低；在排水管到渠道兩側邊坡水平距離一定時，排水管高度越小，排水降壓效果越好。根據布置位置，渠道兩側排水降壓最佳位置為位置4，見表2。

（3）不同區段水流挾沙力情況及排水管位置布置。根據不同區段的水流挾沙能力計算，在水流挾沙能力較強的62+509～64+838區段可適當降低渠道兩側排水管的位置，選擇位置6，見表2；在水流挾沙能力較弱的樁號64+838～64+509 區段可適當升高排水管的位置，選擇位置15 進行布置，防止泥沙的淤積。渠道工程在降壓排水方面側重于渠道兩側降壓可選擇到渠道兩側邊坡水平距離小和高度低的位置4；工程側重于渠底降壓時根據不同高度，可選擇位置6，見表2。

（4）綜合考慮泥沙淤積和減壓效果，樁號62+509～64+838渠段，最優位置是位置4；樁號64+838～64+509 渠段，最優位置是位置15，見表2。□