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(zhèn)水務(wù)工程運(yùn)營中心，廣東 東莞 523000)

0 引 言

人類從遠(yuǎn)古時(shí)代開始就進(jìn)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(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)時(shí)應(yīng)令其以最大的效率運(yùn)行[2]。但在大多數(shù)發(fā)展中國家，灌溉水利用系數(shù)還是呈現(xiàn)偏低的情況[3]。水運(yùn)輸和分配系統(tǒng)的效率從根本上影響了灌溉項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)成本[4]。在中國，通常使用磚、現(xiàn)澆混凝土、水泥混凝土、瀝青等材料進(jìn)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(duì)其年度成本進(jìn)行了估計(jì)并對(duì)從經(jīng)濟(jì)性的角度進(jìn)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(cè)量或通過估算獲得，由于渠道連續(xù)工作且渠道寬度較大，實(shí)際上不可能通過直接法測(cè)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(cè)量；滲流計(jì)技術(shù)需要大量的數(shù)據(jù)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(shè)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(jì)算其滲流量，以期得到最優(yōu)的襯砌模式。

1 應(yīng)用工程概況

文章以廣東省東莞市某灌溉渠道為例。灌區(qū)灌溉面積為30.4hm2，渠道長度為62.13 km，設(shè)計(jì)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(shù)均取自該渠，對(duì)現(xiàn)有的備選襯砌類型進(jìn)行了使用壽命和經(jīng)濟(jì)可行性的比較、并通過計(jì)算，分別得到了所設(shè)置四種襯砌模式的滲漏量。

2 不同渠道襯砌材料比較與經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 不同襯砌材料的比較

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，統(tǒng)計(jì)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(jì)成本 元

從經(jīng)濟(jì)角度和耐久性方面考慮，渠道的襯砌價(jià)格昂貴。在常規(guī)地形中，帶襯砌渠道的成本是同等規(guī)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(jié)省了有襯砌渠道開挖方量，襯砌渠道的初始成本可能會(huì)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(jīng)濟(jì)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(fēng)和相鄰田間土壤的穩(wěn)定性，這些因素都會(huì)影響維護(hù)成本，許多因素難以把控。鑒于所列舉因素的數(shù)量和可變性，通常的辦法無法對(duì)項(xiàng)目之間的成本進(jìn)行比較，但可以從同一項(xiàng)目或運(yùn)營項(xiàng)目的現(xiàn)有渠道成本數(shù)據(jù)中獲得有襯砌渠道和無襯砌渠道的運(yùn)營和維護(hù)成本。在相似的氣候，地理和農(nóng)業(yè)條件下。之前一個(gè)項(xiàng)目證明了襯砌的應(yīng)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(hù)成本和最終更換成本。大多數(shù)襯砌在很多年后仍然發(fā)揮效果。

襯砌類型的選擇應(yīng)考慮以下因素： ①土壤條件及其性質(zhì)；②灌溉需水量和土地價(jià)值；③容易獲取的當(dāng)?shù)夭牧戏N類；④人工條件；⑤機(jī)械設(shè)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(xù)增長和尋找新的能源供應(yīng)越來越困難，節(jié)約用水顯得尤為重要。無襯砌的渠道會(huì)因滲漏而損失大量的水。滲流損失不僅會(huì)導(dǎo)致淡水資浪費(fèi)竭，還會(huì)導(dǎo)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(duì)節(jié)約水資源和水資源可持續(xù)利用有重要的意義。

3.1 方法

為了對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行有效的運(yùn)行規(guī)劃和管理，準(zhǔn)確的滲水量計(jì)算是非常重要的。實(shí)驗(yàn)室渠道的滲流速率可以通過直接測(cè)量或估計(jì)得到，但對(duì)實(shí)際渠道的滲漏損失進(jìn)行精確分析是相當(dāng)復(fù)雜的。本研究采用Swamee等人提出的公式，假設(shè)不同的滲透系數(shù)，計(jì)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(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)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(nèi)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(jié)構(gòu)，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(jì))；⑧水的鹽度；⑨泥沙負(fù)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(shù)

帶有襯砌結(jié)構(gòu)的渠道可以控制滲流。但是隨著時(shí)間的流逝渠道襯砌會(huì)劣化，因此，發(fā)生劣化的襯砌渠道會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生大量的滲漏損失，在渠道設(shè)計(jì)中必須考慮滲流損失的影響。結(jié)構(gòu)密實(shí)的襯砌可防止渠道滲水，但導(dǎo)致裂縫的形成有很多原因，不同種類襯砌的滲流系數(shù)是關(guān)鍵性的因素。研究收集了大量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)整理出不同襯砌材料的滲透系數(shù)，見表3。

表3 不同材料的滲透率

3.4 計(jì)算渠道滲漏損失

當(dāng)流量差很大時(shí)，即在無限制的流動(dòng)條件下，渠道的滲漏損失是最大的。地下水位很大時(shí)，在均質(zhì)各向同性的多孔介質(zhì)中，未襯砌或有襯砌的渠道的穩(wěn)定滲漏損失可以表示為：

qs=kynFs

(1)

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

針對(duì)已知渠道尺寸的特定條件的不同集合來估計(jì)出滲透函數(shù)。其分析形式包含積分和未知的隱式狀態(tài)變量，不便于從現(xiàn)有渠道中直接獲得，并且在設(shè)計(jì)滲水損失的渠道時(shí)并不方便。為了簡(jiǎn)化截面的滲流功能，使用Swamee等人提出的數(shù)值方法，簡(jiǎn)化了滲流功能的計(jì)算公式，具體表達(dá)式如下：

(2)

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

3.5 計(jì)算結(jié)果

如前所述，研究設(shè)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(jì)算并比較了不同渠道未襯砌和不同襯砌的估計(jì)滲漏損失，具體結(jié)果如表4所示。

表4 不同渠道未襯砌和不同襯砌的估計(jì)滲漏損失結(jié)果

為了更直觀展示滲漏量的對(duì)比情況，將表4以柱狀圖的形式展現(xiàn)。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(gè)共同的趨勢(shì)，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(shù)倍。

4 結(jié) 論

主要對(duì)不同類型襯砌的壽命周期及其耐久性進(jìn)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(fèi)、剩余價(jià)值、總折舊、年利率、年度維護(hù)費(fèi)的角度估計(jì)了兩種襯砌的經(jīng)濟(jì)成本，并從養(yǎng)護(hù)、后期強(qiáng)度等方面進(jìn)行綜合評(píng)估，研究表明在大多數(shù)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(dǎo)致滲流損失加劇。通過對(duì)渠道進(jìn)行襯砌，可以顯著降低渠道的滲漏損失、水淹、淤積等。文章設(shè)置了四種襯砌模式，通過計(jì)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(yùn)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(jìn)一步說明了混凝土襯砌適用于大多數(shù)渠道。