渠底襯砌形式對輸水灌渠內水力特征影響分析研究

張 強

（遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003）

1 引言

輸水灌渠乃是農業水利工程中重要水利調度設施，輸水穩定性與輸水耗散率乃是反映輸水灌渠設計水平的重要指標[1]。渠底襯砌結構差異性，會影響渠道水流流態，對渠道輸水狀態也有影響[2]，探討不同渠底襯砌結構方案下渠道水力特征具有重要意義。叢日軍[3]根據輸水渠道設計平面圖或現狀，基于模型試驗研究不同結構方案下渠道水力特征變化，為工程建設提供依據。輸水灌渠作為一個特殊水利設施，在農業水利工程中常應用傳感器監測手段，從不同監測區段內水位、流速特征數據參數[4]，預判輸水灌渠輸水耗散率出現的根源。根據輸水灌渠工程設計或現狀，利用仿真模擬平臺[5]，可建立數值計算模型，并可根據實際設計方案更改不同參數，探討不同方案下灌渠水力特征差異或靜、動力特征[6]，為評價工程設計最優方案提供參考。文中根據沈陽北輸水灌渠不同襯砌結構方案，設計研究了三層式襯砌方案對輸水灌渠中水力特征的有利作用，為該類型襯砌方案的應用提供計算依據。

2 灌渠襯砌結構仿真

2.1 工程概況

作為遼寧西北地區重要水資源調配樞紐，沈陽北輸水灌渠具有重要戰略意義，確保該輸水灌渠輸水運營穩定性乃是管理部門重點工作。沈陽北輸水灌渠全長為125 km，全渠設置有南、北干線及多條輸水支線，并在上游集水源往下游用水廠連接處建設有調壓塔，塔高為21 m，進出水口截面尺寸為0.8 m，設計最大流量為55 m3/s。沈陽北輸水灌渠沿線建設有多種中小型水閘、泄流閘、抽水泵站及消力池等水工建筑，其中過閘流量最大為二道河閘，設計最大流量為105 m3/s，閘室底板厚度為1.2 m，閘門配備有預應力支護結構體系，其運營閘門與輸水管線內渠道相匹配，且二道河閘室底板與渠道襯砌結構成為了閘前、后防滲體系，確保渠道內流量不致使發生渦流、奔涌等非穩定性滲流現象。根據對沈陽北輸水灌渠調研得知，目前水閘等設施運營效率要再提升一個能級、泵站引水要提升一個標準，這均與輸水灌渠襯砌結構現狀有所不匹配，故而工程管理部門考慮比較不同襯砌結構斷面形式對輸水灌渠水力特征影響，以確定一個最適宜于沈陽北輸水灌渠的襯砌設計方案。

2.2 襯砌結構方案

為評價不同襯砌結構類型對輸水灌渠水力特征影響，文中設計有雙層襯砌結構、三層式襯砌結構，其結構幾何形態如圖1所示。

圖1 襯砌結構幾何形態圖

利用ANSYS數值仿真平臺建立兩種襯砌結構方案有限元模型[7]，襯砌結構有限元網格模型導入至Fluent滲流仿真平臺中，建立研究區段長度為25 m、共有10個特征斷面的輸水渠道計算模型，如圖2所示。根據沈陽北輸水灌渠運營實際，設定上游來水流量為6 L/s、8 L/s、10 L/s、12 L/s，基于兩種不同襯砌結構方案開展輸水渠道內水力特征對比分析。

圖2 輸水渠道特征斷面

3 襯砌形式對灌渠水位影響

3.1 不同流量下水位特征

根據上游不同來水流量計算獲得兩種襯砌結構方案下各斷面上水位特征，如圖3所示。從圖3可知，相同襯砌結構方案中，不同流量下各斷面水位變化特征具有一致性；在復合雙層式襯砌結構方案中，其各斷面上水位線呈“U”型特征，以中游斷面上水位為最低，該襯砌結構方案中流量8 L/s下，中游斷面12.5~17.5 m上水位穩定在1.06 m，而全斷面上平均水位較前者增長了9.9%，表明輸水渠道中游受上游流量影響更具顯著。

從不同流量間平均水位對比可知，雙層式襯砌結構方案中，在流量6 L/s下全斷面上水位分布在0.72~0.96 m，平均水位為0.86 m，而流量為8 L/s、10 L/s、12 L/s中平均水位較前者分別增長了36%、74.4%、129.1%，特別的是當流量每增大2 L/s，則全斷面平均水位可增長31.9%。而在中游斷面處，各流量工況在中游斷面的平均水位隨之增幅為38.8%，同理在三層式襯砌方案下該增幅為23.6%。當渠底為三層襯砌結構時，其各斷面上水位均較雙層式襯砌結構下上升，而在流量6 L/s下平均水位兩者相差37.2%，同樣在流量8 L/s、10 L/s、12 L/s下三層式襯砌結構平均水位分別有增幅20.5%、15.3%、10.7%。另一方面，在三層式襯砌結構中，每增大流量2 L/s時，渠道全斷面平均水位可增長22.7%，相比雙層式襯砌結構方案，三層式襯砌結構方案受上游流量影響敏感度更弱。分析認為，當上游流量愈大，則雙層式襯砌結構中渠道水位變幅更大，易造成渠底、渠坡受動水壓力沖擊影響，造成灌渠兩側泥沙流失，形成水流裹挾泥沙較嚴重的局面[8]。

圖3 不同流量下各斷面水位特征

3.2 不同襯砌結構下水位特征

文中以典型流量工況下襯砌形式影響渠道水位開展分析，圖4為流量6 L/s、10 L/s下不同襯砌方案的全斷面水位變化特征。

圖4 不同襯砌結構下斷面水位特征

從圖4中可知，有襯砌結構下水位穩定性高于無襯砌方案，流量6 L/s工況下，無襯砌方案中最大、最小水位分別為0.72 m、0.35 m，各斷面間水位平均變幅為22%，而最大變幅出現在斷面12.5 m與15 m間，達50.5%；同樣的在三層式襯砌方案中，全斷面水位平均變幅為2.7%，最大變幅不超過6.5%，渠道內斷面水位穩定性較優，不易受渦流、紊流等非穩定滲流影響。對比不同襯砌方案全斷面平均水位可知，三層式襯砌結構方案下平均水位最高，在流量6 L/s工況中可達1.18 m，而無襯砌方案中平均水位較前者減少了50.1%；同樣在流量10 L/s中無襯砌結構方案平均水位相比雙層式、三層式襯砌方案分別有差幅11.7%、20.3%，且三層式襯砌方案中各斷面間水位最大變幅不超過2.6%，表明流量愈大，不同襯砌結構造成的水位差幅愈小，且多層式襯砌方案在高流量下水位穩定性仍較佳。

4 襯砌形式對灌渠流速影響

圖5為不同襯砌結構方案下各斷面流速變化特征。從圖5中襯砌結構方案與流速關系可知，不論是低流量工況，抑或是高流量工況中，三層式襯砌結構方案中各斷面流速為最高，且穩定性為最優。在流量6 L/s中三層式襯砌結構方案全斷面流速分布為0.276~0.28 m/s，無襯砌方案、雙層式襯砌方案斷面上流速與前者差幅分別為61.8%~75.8%、41.5%~42.8%；從斷面平均流速來看，三層式襯砌方案下平均流速為0.279 m/s，而無襯砌方案、雙層式襯砌方案下平均流速較前者分別減少了69.9%、42.3%；同樣當流量增大至10 L/s后，三層式襯砌結構方案中與無襯砌方案、雙層式襯砌方案下平均流速差幅可達69.7%、43.9%，表明無襯砌方案下灌渠內阻流、泥沙裹挾較嚴重，水流流態受抑制影響，流速水平較低。從斷面上流速變化可知，流量6 L/s工況中，無襯砌方案中斷面間流速最大變幅為46.9%，而在雙層式、三層式襯砌結構中最大變幅分別為1.2%、0.78%；特別是高流量下，無襯砌方案變幅增大，可達53.3%。通過以上分析可知，輸水灌渠若無襯砌結構，則易導致渠道斷面上流速受兩側土層面、渠底防滲面等摩擦面影響，造成在不同摩擦系數斷面上出現流速較大變幅與不穩定現象。

圖5 不同襯砌結構下斷面流速特征

5 結論

（1）雙層式襯砌方案中，各斷面上水位線呈“U”型特征，以中游斷面受來水流量影響更具顯著；當流量每增大2 L/s，雙層式、三層式襯砌方案中全斷面平均水位分別增長31.9%、22.7%。

（2）有襯砌結構下水位穩定性高于無襯砌方案，全斷面上無襯砌方案平均變幅為22%，而三層式襯砌方案下為2.7%；三層式襯砌方案下平均水位最高，流量愈大，不同襯砌結構形式間水位差幅愈小。

（3）低流量工況與高流量工況中，三層式襯砌方案中各斷面流速為最高，三層式襯砌方案有助于削弱渠底摩擦面、阻流面影響，非穩定流態現象較少。