垂直導(dǎo)流板對(duì)高地下水位渠道開(kāi)縫式襯砌的滲漏優(yōu)化

倪生祥

(喀左縣中三冢水利服務(wù)站，遼寧 喀左 122305)

1 工程背景

遼寧省喀喇沁左翼蒙古族自治縣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)喀左縣)隸屬于遼寧省朝陽(yáng)市，位于水資源嚴(yán)重不足的遼西半干旱地區(qū)，水資源不足和利用效率低下一直是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸性因素[1]。鑒于喀左縣境內(nèi)有大小河流百余條，地表水資源較為豐富，因此在新中國(guó)成立之后的數(shù)十年中大力進(jìn)行灌區(qū)建設(shè)，為促進(jìn)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增收起到了重要作用[2]。平房子灌區(qū)地處喀左縣南部，干旱少雨，自然條件、生態(tài)環(huán)境較差，水資源比較匱乏。該工程渠首位于平房子水閘處，平房子水閘位于喀左縣平房子鎮(zhèn)山灣子村，地處大凌河、蒿桑河、滲津河交匯點(diǎn)，大凌河中上游。該灌區(qū)始建于20世紀(jì)70年代，至今已經(jīng)運(yùn)行40多年，由于原有渠道建成年代較久，渠道的襯砌工程老化破損問(wèn)題比較突出，不僅造成較大的渠道滲漏，增加運(yùn)行成本，同時(shí)還造成有限水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，平房子灌區(qū)在2015年進(jìn)行了灌區(qū)的渠道襯砌的節(jié)水改造。由于平房子灌區(qū)由于地處河谷，部分渠段的具有較高的地下水位，最高水位僅有-1.20m，鑒于高地下水位的影響，渠道的襯砌在非灌溉期渠道存在比較明顯的側(cè)向水滲入，特別是地下水位高于-2.50m的地段，這種滲入作用十分明顯，由此形成的揚(yáng)壓力往往會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)造成顯著的不利影響，不利于渠道襯砌穩(wěn)定，同時(shí)由于該段渠道的基土含水率較高，極容易在冬季造成凍脹破壞。因此，擬在高地下水位渠段的襯砌節(jié)水改造設(shè)計(jì)中采取襯砌開(kāi)縫的透水式襯砌結(jié)構(gòu)形式。

2 Seep3D渠道滲流數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型構(gòu)建

Seep3D是一種專(zhuān)門(mén)用于滲流計(jì)算的三維有限元計(jì)算軟件[3,14]，該軟件不僅具有較高的計(jì)算精度，同時(shí)也廣泛適用于不同條件下的滲流計(jì)算，被廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域的滲流計(jì)算。同時(shí)，該軟件還具有使用方面的便捷性，在對(duì)邊界條件與材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置之后，即可用于本次研究中的渠道滲流計(jì)算[5]。

本次研究中利用Seep3D軟件，以平房子灌區(qū)主干渠樁號(hào)為0+1250～0+1550的高地下水位渠段為研究對(duì)象，構(gòu)建三維計(jì)算模型。首先，對(duì)模型具體尺寸進(jìn)行設(shè)置：按照研究區(qū)段的渠參數(shù)，將渠道模型的底寬設(shè)置為20.0m，深度設(shè)置為6.0m，渠道兩側(cè)的襯砌厚度設(shè)置為0.1m。結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)中的理論和經(jīng)驗(yàn)，模型的計(jì)算范圍為渠道底部中心向渠道兩岸延伸100m，模型總長(zhǎng)度為300m。然后進(jìn)行模型的計(jì)算坐標(biāo)系設(shè)置：以渠道斷面向右的方向作為模型的x軸方向，以豎直向上的方向作為y軸的正方向；渠道縱斷面指向后橫斷面的方向?yàn)閦軸的正方向。計(jì)算模型采取正六面體網(wǎng)格劃分，最終獲得110987個(gè)計(jì)算單元，98675個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示[6]。

圖1 渠道三維有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與材料參數(shù)

在模型試驗(yàn)中，渠道水位是重要的邊界條件，在本次研究中，將渠水位以及渠道左右兩側(cè)的側(cè)地下水均設(shè)置為固定水頭邊界，渠道模型的前后以及底面均為不透水邊界[7]。由于渠道位于河谷地段，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況，渠道基土砂土以及混凝土襯砌材料的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。為了減小計(jì)算量，同時(shí)較為準(zhǔn)確地模擬渠道開(kāi)縫形成的透水式襯砌的滲漏情況，在計(jì)算過(guò)程中將開(kāi)縫位置以及渠道底部以及渠道兩側(cè)的材料設(shè)置為砂土，而渠道的其余位置則設(shè)置為混凝土襯砌，以實(shí)現(xiàn)襯砌開(kāi)縫透水的目的[8]。

表1 材料參數(shù)表 單位：m/s

2.3 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

本次研究的數(shù)值計(jì)算條件為：渠坡底部襯砌為開(kāi)縫設(shè)計(jì)，開(kāi)縫寬度分別為1.0m。模型計(jì)算顯示采用上述透水式襯砌設(shè)計(jì)，在非灌溉期能夠顯著降低渠坡坡面部位的浸潤(rùn)面高度，大幅降低渠道在冬季的凍脹破壞，提高渠道襯砌的穩(wěn)定性。但是，在灌溉期雖然的襯砌節(jié)水效果并不明顯，仍將因滲漏造成水資源浪費(fèi)。因此，本次研究試圖在開(kāi)縫式透水襯砌基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，也就是在襯砌開(kāi)縫的邊緣位置設(shè)置一定高度的垂直導(dǎo)流板，從而減少渠道的滲流量[8]。垂直導(dǎo)流板的長(zhǎng)度分別為0、0.5、1.0、1.5m。計(jì)算工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況 單位：m

3 計(jì)算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)不同工況下，渠道襯砌底面的滲流速度和水力坡降進(jìn)行計(jì)算，獲得如圖2—9所示的結(jié)果。由圖中的結(jié)果可知，滲流速度和水力坡降隨x軸正方向和負(fù)方向的變化基本一致，最大滲流速度值和最大水力坡降值均位于渠道襯砌開(kāi)縫位置附近，且距離開(kāi)縫位置越遠(yuǎn)，流速和水力坡降值也不斷減小。

圖2 工況1流速曲線

圖3 工況1水力坡降曲線

圖4 工況2流速曲線

圖5 工況2水力坡降曲線

圖6 工況3流速曲線

圖7 工況3水力坡降曲線

圖8 工況4流速曲線

圖9 工況4水力坡降曲線

對(duì)4種不同工況下，渠道滲流量、襯砌下底面的最大滲流速度以及最大水力坡降進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。由表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，在灌溉期正向滲流條件下，渠道滲流量、最大流速和最大水力坡降則隨著垂直導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加而減小。另一方面，從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)垂直導(dǎo)流板的長(zhǎng)度在1.0m以?xún)?nèi)時(shí)，渠道滲流量的減少速率較大，而垂直導(dǎo)流板的長(zhǎng)度在1.0m以上時(shí)，渠道滲流量的減小速率較小。因此，導(dǎo)流板長(zhǎng)度在1.0m左右時(shí)，可以起到明顯的防滲作用。

表3 不同垂直導(dǎo)流板長(zhǎng)度的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

利用表3中的渠道滲流量計(jì)算結(jié)果，利用三維有限元數(shù)值模型可以進(jìn)一步計(jì)算獲得不同工況下的渠道襯砌節(jié)水率以及浸潤(rùn)面最大高程，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著垂直導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加，渠道滲流量逐漸減少，與之對(duì)應(yīng)的是渠道襯砌的節(jié)水率在不斷提高，浸潤(rùn)面的最大高程逐漸降低為0。具體而言，當(dāng)導(dǎo)流板長(zhǎng)度為0m時(shí)，渠道滲流的最大流速和最大水利坡降最大，滲流量也最大，襯砌節(jié)水率為43.30%，浸潤(rùn)面的最大抬升高度達(dá)到1.75m；當(dāng)導(dǎo)流板的長(zhǎng)度為0.5m時(shí)，襯砌節(jié)水率為57.12%，浸潤(rùn)面最大抬升高度為1.53m；當(dāng)導(dǎo)流板的長(zhǎng)度為1.0m時(shí)，襯砌節(jié)水率為68.22%，浸潤(rùn)面最大抬升高度為1.50m；當(dāng)導(dǎo)流板的長(zhǎng)度為1.5m時(shí)，襯砌節(jié)水率為57.12%，浸潤(rùn)面最大抬升高度為1.50m。

由此可見(jiàn)，當(dāng)導(dǎo)流板長(zhǎng)度在1.0m以下時(shí)，隨著導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加，渠道襯砌的節(jié)水效能提升明顯，但是隨著導(dǎo)流板長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，對(duì)襯砌節(jié)水效果的提升并不十分顯著。

表4 渠道襯砌節(jié)水率以及浸潤(rùn)面最大高程計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

以遼寧省喀左縣平房子灌區(qū)高地下水位渠段為例，利用Seep3D軟件針對(duì)襯砌開(kāi)縫式透水襯砌設(shè)計(jì)中開(kāi)縫下部設(shè)置垂直導(dǎo)流板對(duì)渠道防滲作用的影響開(kāi)展研究，以獲取最佳的垂直導(dǎo)流板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供理論支持。模型計(jì)算結(jié)果顯示，在灌溉期正向滲流條件下，渠道滲流量、最大流速和最大水力坡降則隨著垂直導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加而減小。當(dāng)垂直導(dǎo)流板的長(zhǎng)度在1.0m以?xún)?nèi)時(shí)，渠道滲流量的減少速率較大，而垂直導(dǎo)流板的長(zhǎng)度在1.0m以上時(shí)，渠道滲流量的減小速率較小。從渠道襯砌節(jié)水率來(lái)看，當(dāng)垂直導(dǎo)流板長(zhǎng)度在1.0m以下時(shí)，隨著垂直導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加，渠道襯砌的節(jié)水效能提升明顯，但是隨著導(dǎo)流板長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，對(duì)襯砌節(jié)水效果的提升并不十分顯著。綜上所述，結(jié)合渠道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，建議在渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取長(zhǎng)度為1.0m的垂直導(dǎo)流板。