U形混凝土襯砌渠道剛性連接缺陷滲漏損失評(píng)估方法初步研究

王小東，王紅雨，2，李存云

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川750021；2.寧夏大學(xué)寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川750021)

在季凍區(qū)凍融循環(huán)條件下，混凝土襯砌渠道及其剛性連接存在嚴(yán)重的凍脹破壞問(wèn)題，加之施工技術(shù)簡(jiǎn)單、施工質(zhì)量管理滯后等因素致使剛性連接本身存在很多缺陷裂隙，成為防滲工程潛在的滲漏通道或安全隱患，直接影響著渠道防滲工程功能的發(fā)揮和經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這類工程滲漏問(wèn)題精細(xì)化研究成果的報(bào)道尚不多見(jiàn)，隨著水資源高效利用與灌溉水精細(xì)化分配要求的提出，對(duì)該問(wèn)題的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與計(jì)算成為亟待研究的課題。

1 渠道滲漏損失評(píng)估技術(shù)研究進(jìn)展

渠道滲漏可以從滲漏位置、滲漏量及滲透強(qiáng)度入手進(jìn)行評(píng)析。對(duì)于滲漏位置，國(guó)內(nèi)外先后采用過(guò)同位素示蹤技術(shù)[1]、地球物理技術(shù)和熱紅外影像以及綜合使用兩種技術(shù)的監(jiān)測(cè)形式[2-3]，機(jī)載遙感技術(shù)[4]等監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)有關(guān)灌區(qū)輸配水渠道的滲漏情況成功實(shí)施監(jiān)測(cè)，但是這些先進(jìn)的技術(shù)只能對(duì)滲漏位置和滲透性不同的區(qū)域進(jìn)行定性分析，目前在工程界尚未見(jiàn)定量化監(jiān)測(cè)評(píng)估滲漏量的有關(guān)報(bào)道。在滲漏量及滲透強(qiáng)度計(jì)算方法評(píng)析方面，目前主要可分為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、解析方法和數(shù)值模擬方法等幾種評(píng)估形式[5- 6]。其中，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法原理簡(jiǎn)單且直接，在我國(guó)現(xiàn)行的GB50600—2010《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中推薦使用靜水法和動(dòng)水法進(jìn)行渠道滲漏測(cè)驗(yàn)[7]。但各種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法都有其局限性，且不能用于渠道規(guī)劃設(shè)計(jì)階段對(duì)混凝土襯砌渠道剛性連接缺陷裂隙滲漏損失進(jìn)行估算。經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法及數(shù)值模擬方法雖然能夠克服現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法的不足，但目前關(guān)于這方面研究成果及工程資料積累較少，利用此類方法進(jìn)行襯砌渠道缺陷滲漏定量評(píng)析時(shí)存在一定難度。

本文在裂隙滲流立方體定理基礎(chǔ)上提出的裂隙滲流函數(shù)的設(shè)想，以局部滲漏損失計(jì)算為目標(biāo)，克服當(dāng)前大部分評(píng)估理論中平均思想不能反映防滲襯砌渠道滲漏損失發(fā)生位置的不足。

2 混凝土襯砌渠道剛性連接缺陷裂隙滲漏損失評(píng)估

完整無(wú)損的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是幾乎不透水的，滲流主要通過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)剛性連接及其本身存在的缺陷造成的。

圖1 常見(jiàn)的剛性連接方式及缺陷特征

2.1 U形混凝土板襯砌與砂漿剛性連接結(jié)構(gòu)及缺陷分析

根據(jù)對(duì)寧夏引黃灌區(qū)部分地區(qū)的實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)寧夏引黃灌區(qū)大部分支斗級(jí)渠系防滲襯砌所采用的U形混凝土板襯砌及砂漿剛性連接結(jié)構(gòu)均存在結(jié)構(gòu)性缺陷裂隙。例如，當(dāng)年新修的許多小型渠道，經(jīng)過(guò)春灌、冬灌輸水后，剛性連接存在明顯缺陷裂隙，絕大多數(shù)剛性連接處有滲漏水通道，其中在取水口附近的襯砌段滲漏比較嚴(yán)重，有的甚至直接沖毀渠堤。在更早以前建設(shè)的工程中，剛性連接處則存在更多滲漏通道，且在凍融荷載、渠基土不均勻沉降等因素條件下，襯砌結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)存在嚴(yán)重的斷裂、接縫錯(cuò)位等問(wèn)題。

渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)連接部位設(shè)計(jì)縫寬一般為5 cm，以便于填縫施工，填縫材料為M7.5或M10砂漿，施工工藝為甩填。由于這種施工方法技術(shù)簡(jiǎn)單，普通工人一般每天可以填筑80～120 m，但這種施工方法粗糙，不能保證襯砌板連接縫填筑均勻、密實(shí)，容易形成潛在滲漏通道和工程隱患。圖1為常見(jiàn)的剛性連接方式及缺陷特征。圖1a所示的剛性接縫形式優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高與襯砌板結(jié)合的整體性，可以達(dá)到同步變形的目的，同時(shí)在發(fā)生接縫滲漏時(shí)增加滲透路徑，一定程度上能減小滲透量，但是由于填縫材料與襯砌板的剛度存在數(shù)量級(jí)上的差距，在凍脹或沉降變形較大情況下，這種連接方式易在沿垂直其長(zhǎng)度方向及交叉連接處發(fā)生斷裂，形成永久性滲水通道；圖1b所示的剛性接縫形式則可以克服沿垂直其長(zhǎng)度方向斷裂的缺點(diǎn)，但是在接縫交匯處依然存在不協(xié)調(diào)變形的斷裂問(wèn)題，使得這種連接方式不利于接縫與襯砌板整體作用的發(fā)揮，由于融沉不同步更易形成滲透通道，且此種結(jié)構(gòu)滲透路徑較短，不利于滲流量的控制。

2.2 混凝土板襯砌剛性連接缺陷滲漏損失計(jì)算

混凝土板襯砌剛性連接缺陷裂隙滲漏不同于多孔介質(zhì)滲流，且其界面不平整，故其滲漏量應(yīng)該按照裂隙滲流形式計(jì)算。本文基于如下假設(shè)并利用經(jīng)過(guò)C. Louis修正的巖體裂隙滲透立方體定理[8]對(duì)混凝土板襯砌剛性連接缺陷裂隙滲漏損失進(jìn)行評(píng)估：①渠道輸水通過(guò)缺陷裂隙向外滲漏時(shí)，滿足達(dá)西定理；②渠道輸水時(shí)，水流為層流穩(wěn)定流狀態(tài)；③僅襯砌結(jié)構(gòu)表面的水層通過(guò)缺陷裂隙向渠外滲漏，且滲向襯砌板外的水能夠被渠床及渠堤土及時(shí)輸送走；④水體僅在重力作用下向渠外滲漏，水平方向在材料吸力作用下向外滲漏的水量可忽略不計(jì)。

沿渠道橫斷面在渠底取1 cm帶裂隙的研究單元體，如圖2所示。其滲漏損失

(1)

式中，q為單位長(zhǎng)度滲漏流量，cm3/s；g為重力加速度，取980 cm/s2；b為缺陷裂隙的平均寬度，cm；J為水力坡度，基于假設(shè)，J=ΔH/L，其中，ΔH為滲流水頭，cm，L為滲透路徑的長(zhǎng)度，cm；v為水的運(yùn)動(dòng)粘度，cm2/s，即水的動(dòng)力粘度與同溫度下水密度ρ之比；Δ/b為裂隙界面的相對(duì)粗糙度。

圖2 剛性連接缺陷裂隙單元體

根據(jù)假設(shè)及實(shí)際設(shè)計(jì)情況，取ΔH=4 cm(此處取混凝土板的實(shí)際厚度)，L=4.2 cm(不包括裂隙界面粗糙所增加的滲透路徑)。寧夏地區(qū)春灌和冬灌一般在4月中旬和11月中旬進(jìn)行，取10 ℃條件下水的動(dòng)力粘度(1.307 7×10-3N·s/m2)和密度(0.997 g/cm3)，計(jì)算得，J=40/42=0.952 4；v=0.010 802 cm2/s。假設(shè)經(jīng)過(guò)N次凍融循環(huán)后，剛性連接的缺陷性裂縫平均為0.05 cm，即b=0.05 cm，裂隙表面的相對(duì)粗糙度Δ/b取為0.2，代入式(1)，計(jì)算得q=0.71 cm3/s。

某灌溉渠道過(guò)水?dāng)嗝媸疽馊鐖D3所示。其設(shè)計(jì)流量為1.3 m3/s，設(shè)計(jì)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為1.1 m2，濕周為3.45 m，水面寬度B為0.8 m，設(shè)計(jì)水深H為0.75 m。根據(jù)現(xiàn)行的GB50600—2010《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中采用的滲漏損失計(jì)算的方法，渠道采用預(yù)制鋪砌的形式。

(2)

圖3 某渠道過(guò)水?dāng)嗝媸疽?/p>

根據(jù)假設(shè)及實(shí)際工程中預(yù)制的襯砌塊的縱向長(zhǎng)度40 cm，連接縫寬5 cm，每公里約有2 223個(gè)連接縫，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，在一個(gè)凍融循環(huán)后，有大約1%垂直渠道走向的剛性連接縫全部開(kāi)裂，每個(gè)連接縫的等效滲漏長(zhǎng)度為0.8 m(按單側(cè)通開(kāi)水平投影等效處理)，按照修正的立方體定理計(jì)算得，每公里渠道長(zhǎng)度上的日滲漏損失水量為5.39 m3。

2.3 剛性連接缺陷裂隙滲漏損失計(jì)算分析與討論

建立坐標(biāo)系，Z軸正方向與渠道走向一致。當(dāng)渠道的走向、坡降、設(shè)計(jì)流量確定之后，渠道中每個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)都是唯一的確定的。

在利用修正的立方體滲流定理時(shí)，裂縫的寬度b、相對(duì)粗糙度Δ/b、水力坡度J都是其位置坐標(biāo)的函數(shù)，且裂縫寬度與凍融循環(huán)的次數(shù)N有關(guān)，滲漏量與渠道輸水水深H有關(guān)，即b=f(x，y，z，N)，Δ/b=f(x，y，z)，J=f(x，y，z)。在這些參數(shù)確定之后，就可以求出點(diǎn)(x，y，z)處的單位時(shí)間內(nèi)的滲漏量q(x，y，z，N，H)。在此基礎(chǔ)上，沿著裂縫開(kāi)展的方向(即裂縫的長(zhǎng)度L)進(jìn)行積分 ，即可得所求剛性連接缺陷裂隙滲流函數(shù)關(guān)系Qi，即

(3)

根據(jù)實(shí)際工程中渠道的長(zhǎng)度及裂縫出現(xiàn)的次數(shù)N，求出總的滲漏損失水量Q，即

(4)

在假設(shè)前提下，忽略了時(shí)間因素對(duì)結(jié)構(gòu)裂隙的滲透強(qiáng)度的影響。實(shí)際上渠基土的滲透能力i(t)是有一定限度的，且與時(shí)間有著密切的關(guān)系，Horton入滲模型就是基于防滲措施下渠道的滲漏強(qiáng)度與時(shí)間的擬合關(guān)系曲線提出來(lái)的。因此，在計(jì)算裂隙滲漏量時(shí)，必須考慮滲漏發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，從而確定是否考慮回水頂托作用的影響。實(shí)際輸水渠道中的水壓力對(duì)裂隙滲透強(qiáng)度的影響也必須根據(jù)工程情況進(jìn)行合理考慮的。

2.4 利用裂隙滲流公式評(píng)估剛性連接缺陷裂隙滲漏損失的優(yōu)點(diǎn)

(1)在有較充分的工程資料積累條件下，利用裂隙滲流公式可以實(shí)現(xiàn)滲漏損失的精準(zhǔn)化評(píng)估。在設(shè)計(jì)階段，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)滲漏比較嚴(yán)重的缺陷位置，并通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)、施工、管理方法進(jìn)行積極預(yù)防；通過(guò)技術(shù)手段，把建立于工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的裂隙滲流函數(shù)科技化，結(jié)合其他的解析理論、數(shù)值模擬、遙感紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)等方法，較易實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道輸水工程中滲漏損失狀況實(shí)施高效、便捷、快速、精準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)。

(2)裂隙滲流計(jì)算函數(shù)是從局部缺陷考慮滲漏損失的，從而克服了其他滲漏損失評(píng)估方法中平均思想的缺陷，有利于渠道襯砌缺陷的維修與防治。并且這種局部滲漏損失評(píng)估方法，能更好地為工程局部維護(hù)服務(wù)，為改進(jìn)連接形式、連接材料以及連接方法提供理論支撐。

未來(lái)水資源利用將向精細(xì)化發(fā)展，滲透損失研究也將向精準(zhǔn)化的方向發(fā)展。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)地不斷發(fā)展，在今后的工程實(shí)踐中，能夠積累并綜合分析相關(guān)工程實(shí)例，為混凝土襯砌渠道剛性連接缺陷裂隙滲漏損失評(píng)估時(shí)相關(guān)參數(shù)的獲取提供參考依據(jù)。

3 求解裂隙滲流函數(shù) Qi的邊界條件及參數(shù)確定方法討論

3.1 邊界條件確定

在滿足設(shè)計(jì)要求情況下，認(rèn)為未經(jīng)過(guò)凍融作用的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)及其剛性連接均是不發(fā)生滲漏的，即當(dāng)N=0時(shí)，Qi=0；假設(shè)渠道襯砌結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用壽命(預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)一般在10～20年，此處取為15年)結(jié)束時(shí)，完全失去防滲作用，渠道相當(dāng)于一般土渠，根據(jù)中國(guó)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，單級(jí)渠道水的未利用系數(shù)約為0.1，即當(dāng)N=15時(shí)，Qi=0.1Q設(shè)計(jì)；當(dāng)H=0(即渠道停水)時(shí)，Qi=0，還有入滲發(fā)生的時(shí)間條件。

3.2 參數(shù)確定方法分析與探討

在利用裂隙滲流函數(shù)Qi評(píng)估剛性連接缺陷裂隙滲漏過(guò)程中，裂隙的寬度b、相對(duì)粗糙度Δ/b、水力坡度J是最為關(guān)鍵的三個(gè)參數(shù)，確定的科學(xué)與否將直接影響著評(píng)估結(jié)果的正確性與準(zhǔn)確性。根據(jù)滲流公式應(yīng)用對(duì)象的特殊性，并結(jié)合目前巖體滲流參數(shù)確定方法，適合于混凝土襯砌剛性連接缺陷性裂隙滲漏評(píng)估中參數(shù)確定的方法有：

(1)利用精密觀測(cè)儀器，對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)剛性連接缺陷裂隙進(jìn)行抽樣觀測(cè)，通過(guò)綜合分析，獲得裂隙寬度b的工程經(jīng)驗(yàn)取值；對(duì)剛性連接缺陷取樣，在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)電子顯微鏡等微觀觀測(cè)儀器，測(cè)定其裂隙表面的相對(duì)粗糙度Δ/b的工程經(jīng)驗(yàn)值以及與水力坡度J有關(guān)的滲透路徑。通過(guò)大量的工程抽樣觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，確定不同條件下，利用裂隙滲流函數(shù)估算剛性連接缺陷裂隙滲漏量時(shí)各參數(shù)的合理取值范圍。

(2)對(duì)于剛性連接缺陷性裂隙來(lái)說(shuō)，襯砌結(jié)構(gòu)與裂隙之間的水體交互可以忽略不計(jì)，即沿Z向的滲透率Kz為0；其滲流主要取決于缺陷裂隙的空間結(jié)構(gòu)(如裂隙的走向，空間大小)和裂隙自身的特征參數(shù)(如滲流通道的寬度、張開(kāi)度和充填情況等因素)[9]。首先通過(guò)電子顯示儀器對(duì)裂隙走向，空間大小以及裂隙寬度b進(jìn)行觀測(cè)，再利用現(xiàn)場(chǎng)自由滲水試驗(yàn)，測(cè)定出單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)選定缺陷裂隙滲漏的水量，最后反算推導(dǎo)出缺陷裂隙面的相對(duì)粗糙度Δ/b值。通過(guò)抽樣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，積累計(jì)算不同缺陷裂隙的滲漏量的相關(guān)參數(shù)，最終通過(guò)綜合分析，獲得待定各參數(shù)的合理取值域。

(3)利用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方法，獲取剛性連接缺陷裂隙滲漏損失各參數(shù)值。模型實(shí)驗(yàn)中襯砌結(jié)構(gòu)采用工程中所應(yīng)用的預(yù)制混凝土襯砌體，剛性連接與襯砌體之間分別預(yù)留2 mm左右的縫隙，采用聚酯樹(shù)脂填縫，主要是為了利用在液態(tài)樹(shù)脂中加上過(guò)量的催化劑后發(fā)生放熱反映能夠產(chǎn)生8～20 mm半徑的裂隙來(lái)模擬凍融作用下剛性連接所出現(xiàn)的裂隙[10]，并通水觀測(cè)其滲漏量。之后采用可視化的精密觀測(cè)儀器對(duì)裂隙的特征參數(shù)(b、Δ/b以及J)進(jìn)行觀測(cè)，利用裂隙滲流公式推算滲漏量，已相互驗(yàn)證其所獲結(jié)果的準(zhǔn)確性。

此外，裂隙滲透張量理論也可以用于剛性連接缺陷裂隙滲透相關(guān)參數(shù)的確定，在利用過(guò)程中，滲透性的各向異性表達(dá)時(shí)，有一個(gè)方向的滲透系數(shù)為0。

4 結(jié) 論

(1)從實(shí)際工程破壞的特征及裂隙產(chǎn)生位置基本一致可以看出，當(dāng)前季凍區(qū)渠道防滲襯砌結(jié)構(gòu)剛性連接在設(shè)計(jì)、材料、施工等方面還存在較多問(wèn)題，不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)田水利設(shè)施發(fā)展的需求。

(2)規(guī)范法計(jì)算過(guò)程僅能反映單位長(zhǎng)度渠段上的平均滲漏情況，而本文提出裂隙滲流函數(shù)方法考慮了混凝土襯砌渠道滲漏水位置這一關(guān)鍵因素。

(3)裂隙滲流計(jì)算函數(shù)目前還需進(jìn)一步研究確定，但可以預(yù)計(jì)，此方法的實(shí)現(xiàn)不但可以在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段進(jìn)行滲漏預(yù)測(cè)，施工階段對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)控制，而且在渠道運(yùn)行階段，可以結(jié)合其他監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)滲漏位置及滲漏量實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、快速甚至可視化監(jiān)測(cè)。

[1] 魏偉民, 夏雪梅, 丁章順. 用放射性同位素示蹤劑檢測(cè)水庫(kù)和渠道的滲漏位置[J]. 人民黃河, 1990(4): 53- 55．

[2] NELLIS M D. Application of Thermal Infrared Imagery to canal leakage detection[J]. Remote Sensing of Environment, 1982, 12(3): 229- 234．

[3] ENGELBERT P J, HOTCHKISS R H, KELLY W E. Integrated remote sensing and geophysical techniques for locating canal seepage in Nebraska[J]. Journal of Applied Geophysics, 1997, 38(2): 143- 154．

[4] HUANG Y, FIPPS G, MAAS S J, et al. Airborne Remote Sensing for detection of irrigation canal leakage[J]. Irrigation and Drainage, 2010, 59(5): 524- 534．

[5] 羅玉峰, 崔遠(yuǎn)來(lái), 鄭祖金. 河渠滲漏量計(jì)算方法研究進(jìn)展[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2005, 16(3): 444- 449．

[6] 任可, 王紅雨. 灌區(qū)輸水渠道滲漏損失測(cè)算與分析[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2006(12):16- 19．

[7] GB/T 50600—2010 渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范[S]．

[8] 于龍, 陶同康. 巖體裂隙水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J]. 水利水運(yùn)科學(xué)研究. 1997(3): 208- 218．

[9] 紀(jì)成亮, 李曉昭, 王駒, 等. 裂隙巖體滲透系數(shù)確定方法研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2010, 18(2): 235- 240．

[10] 唐紅俠. 水力劈裂條件下裂隙介質(zhì)水力特性研究[D]. 南京： 河海大學(xué), 2005．