渠底襯砌形式對輸水灌渠內(nèi)水力特征影響分析研究

張 強

（遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003）

1 引言

輸水灌渠乃是農(nóng)業(yè)水利工程中重要水利調(diào)度設(shè)施，輸水穩(wěn)定性與輸水耗散率乃是反映輸水灌渠設(shè)計水平的重要指標(biāo)[1]。渠底襯砌結(jié)構(gòu)差異性，會影響渠道水流流態(tài)，對渠道輸水狀態(tài)也有影響[2]，探討不同渠底襯砌結(jié)構(gòu)方案下渠道水力特征具有重要意義。叢日軍[3]根據(jù)輸水渠道設(shè)計平面圖或現(xiàn)狀，基于模型試驗研究不同結(jié)構(gòu)方案下渠道水力特征變化，為工程建設(shè)提供依據(jù)。輸水灌渠作為一個特殊水利設(shè)施，在農(nóng)業(yè)水利工程中常應(yīng)用傳感器監(jiān)測手段，從不同監(jiān)測區(qū)段內(nèi)水位、流速特征數(shù)據(jù)參數(shù)[4]，預(yù)判輸水灌渠輸水耗散率出現(xiàn)的根源。根據(jù)輸水灌渠工程設(shè)計或現(xiàn)狀，利用仿真模擬平臺[5]，可建立數(shù)值計算模型，并可根據(jù)實際設(shè)計方案更改不同參數(shù)，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(shè)計最優(yōu)方案提供參考。文中根據(jù)沈陽北輸水灌渠不同襯砌結(jié)構(gòu)方案，設(shè)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(yīng)用提供計算依據(jù)。

2 灌渠襯砌結(jié)構(gòu)仿真

2.1 工程概況

作為遼寧西北地區(qū)重要水資源調(diào)配樞紐，沈陽北輸水灌渠具有重要戰(zhàn)略意義，確保該輸水灌渠輸水運營穩(wěn)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(shè)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(shè)有調(diào)壓塔，塔高為21 m，進出水口截面尺寸為0.8 m，設(shè)計最大流量為55 m3/s。沈陽北輸水灌渠沿線建設(shè)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(shè)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(yù)應(yīng)力支護結(jié)構(gòu)體系，其運營閘門與輸水管線內(nèi)渠道相匹配，且二道河閘室底板與渠道襯砌結(jié)構(gòu)成為了閘前、后防滲體系，確保渠道內(nèi)流量不致使發(fā)生渦流、奔涌等非穩(wěn)定性滲流現(xiàn)象。根據(jù)對沈陽北輸水灌渠調(diào)研得知，目前水閘等設(shè)施運營效率要再提升一個能級、泵站引水要提升一個標(biāo)準(zhǔn)，這均與輸水灌渠襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀有所不匹配，故而工程管理部門考慮比較不同襯砌結(jié)構(gòu)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(shè)計方案。

2.2 襯砌結(jié)構(gòu)方案

為評價不同襯砌結(jié)構(gòu)類型對輸水灌渠水力特征影響，文中設(shè)計有雙層襯砌結(jié)構(gòu)、三層式襯砌結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)如圖1所示。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)圖

利用ANSYS數(shù)值仿真平臺建立兩種襯砌結(jié)構(gòu)方案有限元模型[7]，襯砌結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入至Fluent滲流仿真平臺中，建立研究區(qū)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(jù)沈陽北輸水灌渠運營實際，設(shè)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(jié)構(gòu)方案開展輸水渠道內(nèi)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(jù)上游不同來水流量計算獲得兩種襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方案中，不同流量下各斷面水位變化特征具有一致性；在復(fù)合雙層式襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方案中流量8 L/s下，中游斷面12.5~17.5 m上水位穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)渠底為三層襯砌結(jié)構(gòu)時，其各斷面上水位均較雙層式襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方案，三層式襯砌結(jié)構(gòu)方案受上游流量影響敏感度更弱。分析認為，當(dāng)上游流量愈大，則雙層式襯砌結(jié)構(gòu)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(cè)泥沙流失，形成水流裹挾泥沙較嚴(yán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)下斷面水位特征

從圖4中可知，有襯砌結(jié)構(gòu)下水位穩(wěn)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(xiàn)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(nèi)斷面水位穩(wěn)定性較優(yōu)，不易受渦流、紊流等非穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wěn)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(jié)構(gòu)方案下各斷面流速變化特征。從圖5中襯砌結(jié)構(gòu)方案與流速關(guān)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(jié)構(gòu)方案中各斷面流速為最高，且穩(wěn)定性為最優(yōu)。在流量6 L/s中三層式襯砌結(jié)構(gòu)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(dāng)流量增大至10 L/s后，三層式襯砌結(jié)構(gòu)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(nèi)阻流、泥沙裹挾較嚴(yán)重，水流流態(tài)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，則易導(dǎo)致渠道斷面上流速受兩側(cè)土層面、渠底防滲面等摩擦面影響，造成在不同摩擦系數(shù)斷面上出現(xiàn)流速較大變幅與不穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖5 不同襯砌結(jié)構(gòu)下斷面流速特征

5 結(jié)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(dāng)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(jié)構(gòu)下水位穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(wěn)定流態(tài)現(xiàn)象較少。