深挖方渠道邊坡排水減壓方案對比試驗研究

王兵 孫佑光 李文良 孫秀秀 王維平

摘要：

為探究膠東調(diào)水明渠基巖深挖方段邊坡排水減壓規(guī)律，結合水文地質(zhì)勘探參數(shù)和渠道斷面尺寸，通過設計砂槽物理模型，進行了無排水系統(tǒng)、邊坡單排水系統(tǒng)、渠底單排水系統(tǒng)、渠底和渠坡雙排水系統(tǒng)等各種方案的排水減壓試驗。結果表明：歷史最高地下水位下，對于同一排水系統(tǒng)，有集水管側(cè)比無集水管側(cè)的揚壓力降低29.0%～43.7%；而對于不同排水系統(tǒng)，渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)減壓效果最優(yōu)，相對于有集水管無排水系統(tǒng)減壓幅度可達37.9%，相對于無集水管時減壓幅度達55.2%。不同排水系統(tǒng)中，渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)排水效果最優(yōu)，分別是邊坡排水系統(tǒng)和渠底單排水系統(tǒng)的2.5倍和1.1倍。渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)中，渠底排水裝置排水量占82.02%～90.91%，遠大于邊坡單排水裝置排水量?；谠囼灲Y果，對裂隙發(fā)育的基巖深挖方渠段，宜設計縱橫排水暗管與排水裝置連接的渠底和邊坡網(wǎng)絡排水系統(tǒng)，減少襯砌結構的揚壓破壞。

關 鍵 詞：

深挖方渠道； 排水減壓； 減壓效果； 排水量； 膠東調(diào)水工程

中圖法分類號： TV67

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.029

0 引 言

明渠輸水是大型調(diào)水工程的主要輸水形式，為減少滲漏損失，其內(nèi)坡廣泛應用混凝土襯砌，當?shù)叵滤桓哂谇?nèi)水位時，襯砌板受到頂托作用，容易產(chǎn)生滑塌或沖起等破壞［1-4］。目前渠道防揚壓破壞主要有“加壓抵抗”與“排水減壓”兩類措施［5］：加壓抵抗是指通過采取增加配重、輸水調(diào)配、結構錨固等方法預先或應急施加足夠的力來抵消揚壓力的作用［6-7］；排水減壓則是通過挖填結合、逆止閥排水等方法將襯砌板下的水壓力釋放出來以達到減小揚壓力的目的［8］。其中，排水管與逆止閥結合的內(nèi)排水方案在南水北調(diào)、膠東調(diào)水等大型明渠調(diào)水工程中得到了廣泛應用［9-10］。

對于排水減壓方案，呂捷等建立邊坡三維滲流模型，對軟式透水管在不同淤塞程度的工況下的排水效應及其對邊坡滲流場的影響展開研究，得到了軟式透水管排水變化規(guī)律［11］；任喜龍等通過對渠道進行滲流穩(wěn)定分析、襯砌結構抗浮穩(wěn)定計算，確定了渠基排水減壓方案［12］；李占松等采用有限單元法對由管道及逆止式排水閥構成的排水管網(wǎng)進行排水減壓計算［13］；李志萍等對管井排水降壓進行優(yōu)化模擬，得到最佳排水井間距［14］；羅輝等對南水北調(diào)濟平干渠暗管排水效果進行研究，得出渠內(nèi)外水位差日變幅不應超過0.4 m［15］；張帥等采用有限元法對不同排水管間距、粗沙墊層厚度和基礎土層組合的排水系統(tǒng)進行優(yōu)化［16］；方攀博等建立二維滲流模型，分析不同高度、不同距離的排水管降壓效果，確定了排水管在渠道的最佳位置［17］。

對于基巖裂隙水運動規(guī)律，由于基巖裂隙發(fā)育與分布的不均勻性和各向異性，裂隙水的運動隨之存在很大差異，其滲流模型有裂隙-孔隙雙重介質(zhì)模型、裂隙-管道雙重介質(zhì)模型和非雙重介質(zhì)模型等，運動流態(tài)可采用達西流、非達西流、非立方定律等描述［18］。趙良杰通過研究巖溶裂隙-管道雙重含水介質(zhì)水動力特征，得到巖溶雙重介質(zhì)水流交換機理［19］；宋靜文等開展了室內(nèi)裂隙溶質(zhì)物理試驗，得到基巖裂隙水溶質(zhì)運移規(guī)律［20］；徐淑媛等對裂隙巖體的滲流特征以及不同裂隙率采動巖體的滲透性能進行了試驗研究［21］；也有學者對基巖裂隙基本特征、賦存規(guī)律、優(yōu)勢流等進行了研究［22-24］。

綜上，對于渠道防揚壓破壞，針對強透水渠段采用滲流數(shù)值模擬方法的研究較多，而對基巖深挖渠段，采用物理模型試驗的研究較少。相對于理論數(shù)值模擬，物理試驗模型研究更接近工程實際，因此，針對膠東調(diào)水工程萊州市趴埠周家生產(chǎn)橋至后趴埠東交通橋段的明渠基巖深挖方渠段，本文在地質(zhì)勘察和監(jiān)測渠內(nèi)外水位的基礎上，設置砂槽試驗模型，對不同排水減壓方案效果進行試驗研究，以為后續(xù)工程施工提供借鑒。

1 研究對象

1.1 工程概況

研究對象位于膠東調(diào)水工程萊州市趴埠周家生產(chǎn)橋至后趴埠東交通橋渠段，屬基巖深挖方，梯形斷面，堤頂高程31.20 m，渠底高程18.93 m，渠深12.27 m，渠底寬4 m，渠道內(nèi)坡坡比1∶1.5，設2級戧臺，第一級戧臺以下預制六邊形混凝土板襯砌，襯砌高度3.5 m。襯砌結構型式為聚苯乙烯保溫板+土工膜+土工布+6 cm預制混凝土板。渠坡混凝土板下設置無砂混凝土找平層，兼做貼坡排水，渠底和邊坡坡腳每隔10 m設一逆止式排水器。工程自2015年通水以來，每年汛期和通水期過后，渠底和右側(cè)邊坡坡腳均會出現(xiàn)襯砌板鼓板和沖毀現(xiàn)象（見圖1～2），需對基巖深挖方渠段揚壓破壞問題進行研究。

1.2 地質(zhì)概況

（1） 地層巖性及地下水賦存條件。

研究對象地層巖性主要為巨屯組含石墨黑云斜長變粒巖及石墨大理巖等，風化帶厚度一般為23.0～25.60 m，水位埋深5.02～13.97 m，水位標高13.21～20.36m。根據(jù)水文監(jiān)測井抽水試驗結果，單位涌水量為0.009～0.330 L/（s·m）。明渠右側(cè)透水性明顯好于左側(cè)透水性，右側(cè)單位涌水量0.22～0.33 L/（s·m），滲透系數(shù)1.653～6.494 m/d（1.91×10-3～7.52×10-3 cm/s），屬于中等透水性巖層；左側(cè)單位涌水量0.009～0.090 L/（s·m），滲透系數(shù)0.080～0.546 m/d（9.26×10-5～6.32×10-4 cm/s），屬于微透水～弱透水性巖層。

（2） 地下水動態(tài)特征。

年內(nèi)水位動態(tài)變化的主要影響因素是大氣降水和渠道輸水。渠道輸水期一般為11月至次年6月，此時渠內(nèi)輸水水位高于地下水位；停止輸水后，地下水位下降至渠底以下；隨著主汛期集中降雨，地下水位升至年度最高，并高于渠底水位；主汛期結束后，地下水位開始下降，至渠道輸水前降至最低；開始輸水后，地下水位又開始升高至渠底高程以上。根據(jù)2020年6月至2021年8月對地下水位的觀測，其中2020年7月至2020年11月非通水期地下水位隨降雨變化，2020年11月17日水位最低（17.950 m），2020年9月1日水位最高（20.631 m），變幅2.681 m。2020年12月至2021年6月通水期間，地下水位受渠道水位變化影響，穩(wěn)定輸水期渠內(nèi)外水頭差小于0.3 m，停水或應急調(diào)度期地下水位高于渠底水位0.57～0.97 m。

2 試 驗

2.1 試驗裝置與材料

試驗裝置包括砂槽、蓄水槽、供水裝置、排水裝置、測量裝置等。根據(jù)渠道斷面和幾何相似原理，砂槽按照比尺20∶1制作，長169.1 cm、寬25 cm、高65 cm，材料為有機玻璃，砂槽右側(cè)設置集水管，左側(cè)不設集水管。蓄水槽長20 cm、高65 cm、寬25 cm，設在砂槽右側(cè)，于砂槽接觸面上開孔，鋪設濾網(wǎng)。供水裝置為水泵和管道，通過供水裝置向蓄水槽供水。根據(jù)三維數(shù)值模擬預測，渠道歷史最高地下水位與渠底高差為2.87 m［25］，原型與試驗模型相似比尺為20∶1，反映到該試驗中蓄水槽中最高水位應高于渠底14.4 cm，加上渠底至砂槽底部25 cm，設定蓄水槽最高水位為39.5 cm。排水裝置包括邊坡和渠底排水器及左側(cè)泄水孔，邊坡排水器采用逆止閥排水器，渠底排水器采用新型渠底升降式排水器［26］。測量裝置包括在邊坡和渠底下布置的8個孔隙水壓力計和流量計?？紫端畨毫τ媽崟r測量渠道邊坡和渠底揚壓力數(shù)據(jù)，流量計測量供水流量。渠底單排水系統(tǒng)和渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)物理模型中，在編號為6的通道處安裝排水裝置，不安裝孔隙水壓力計。試驗裝置見圖3，孔隙水壓力計布置見圖4。

根據(jù)水文地質(zhì)勘探，并結合達西實驗，選用與研究對象滲透系數(shù)相近的粉細砂作為砂槽試驗用砂，集水管使用PVC水管，縱橫交叉連接，經(jīng)排水量計算，選取集水管直徑為1.5 cm，出水管直徑為1 cm。粗砂包裹在排水器和集水管周圍，防止粉細砂使集水管和排水器發(fā)生淤堵。

2.2 試驗方法與步驟

通過在砂槽中右側(cè)是否設置集水管，對比基巖裂隙水有、無集水措施下的排水降壓效果。由于研究對象為基巖深挖方渠段，裂隙分布具有大小和方向不均勻性，邊坡滲流呈流速小、無序流動的特點，易在未知部位形成優(yōu)勢流及高揚壓力，引起渠道邊坡襯砌結構的集中破壞。針對基巖裂隙滲流的特點，設置集水管時，分層布設并與排水器連接。布設集水管可提高邊坡中的滲流流速，加快水的收集、輸送、排泄，分層布設可在渠道邊坡形成高水高排、低水低排的有序排水系統(tǒng)，使裂隙水及時通過最近層的集水管排泄，避免在邊坡局部形成過高揚壓力。根據(jù)基巖深挖方邊坡的弱滲透性、歷史最高地下水頭值（2.87 m）和試驗模型尺寸，將集水管分上、中、下3層均勻布設，各層匯集輸送邊坡滲流的面積基本相同，層間垂直高度小于5 cm（模擬實際工程尺寸小于1 m）。每層平行于渠道水流方向設一根集水管，主要起收集水流作用，垂直于渠道水流方向設2根，主要起輸送水流作用。集水管縱橫交叉連接，通向邊坡和渠底的粗砂墊層，粗砂墊層中埋設邊坡和渠底排水器，形成集水、輸水、排水一體的排水減壓系統(tǒng)。

通過控制排水裝置開關，模擬無排水（見圖5）、邊坡單排水（見圖6）、渠底單排水（見圖7）、邊坡及渠底雙排水（見圖8）4種不同排水系統(tǒng)的渠底及邊坡?lián)P壓力和排水特征。

向蓄水槽供水的流量設定需考慮砂槽的滲流量和模擬地下水位上升到達歷史最高水位。通過滲流計算，并考慮到水位上升需要，設定初始供水流量為150 L/h，在調(diào)增供水流量時，按照50 L/h遞增。

試驗步驟分為填砂、供水停水、數(shù)據(jù)記錄3個步驟。具體步驟為：在砂槽內(nèi)填充粉細砂，分多次裝入，每次裝砂后將砂樣壓實。用泵將自來水送至蓄水槽，由蓄水槽向砂槽內(nèi)側(cè)滲，模擬側(cè)向徑流。蓄水槽水位到達39.5 cm（歷史最高地下水位）時停泵。停泵后，蓄水槽水位下降至25 cm時停止試驗。每隔2 min記錄一次水位和水量數(shù)據(jù)，揚壓力的數(shù)據(jù)為實時記錄。通過控制排水裝置開關，改變不同排水狀態(tài)，重復進行供水、排水、停水試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 無集水管

無集水管時，水位及揚壓力變化情況見圖9。

由于粉細砂滲透系數(shù)過小，水流在砂槽內(nèi)運動非常緩慢，排水裝置未開啟，因此后續(xù)不同排水系統(tǒng)試驗也無法進行。由圖9可知，隨著蓄水槽水位上升，揚壓力由大至小的位置依次為：CH5、CH4、CH7、CH6、CH8、CH2、CH3、CH1?？傮w趨勢是：邊坡坡腳揚壓力較大，渠底中部揚壓力小于渠底靠近邊坡處，渠底揚壓力大于來水一側(cè)邊坡坡腳。右側(cè)蓄水槽水位到達最高水位時，通道4的最高揚壓力達到4.24 kPa，停泵后，各位置處的揚壓力先迅速下降，后緩慢下降。

3.2 有集水管

3.2.1 揚壓力變化特征

供水流量-揚壓力關系見圖10和表1。

（1） 集水管對揚壓力的影響。

由圖10可知：供水初期，揚壓力變化不穩(wěn)定，供水后期以及停泵后揚壓力變化規(guī)律明顯。揚壓力由大到小依次為：CH5、CH4、CH8、CH7、CH6、CH3、CH2、CH1。左側(cè)邊坡坡腳揚壓力較大，渠底中部揚壓力小于渠底靠近邊坡處揚壓力，渠底揚壓力大于來水一側(cè)邊坡?lián)P壓力。右側(cè)有集水管，左側(cè)沒有集水管，右側(cè)岸坡?lián)P壓力低于左側(cè)。由表1可知，供水流量為150 L/h時，無排水系統(tǒng)時右側(cè)岸坡?lián)P壓力降低33.6%～42.16%，采用邊坡為排水系統(tǒng)時揚壓力降低29.0%～30.5%，采用渠底為排水系統(tǒng)時揚壓力降低34.8%～41.6%，采用渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)揚壓力降低30%～43.7%。可見，有集水管時，邊坡滲流速度加快，可以有效降低揚壓力。

（2） 不同排水系統(tǒng)對揚壓力的影響。

由表1可知，供水流量為150 L/h時，無排水系統(tǒng)時最大揚壓力為3.06 kPa，采用邊坡單排水系統(tǒng)、渠底單排水系統(tǒng)、渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)時分別為2.62，2.21，1.90 kPa。相對無排水系統(tǒng)，最大揚壓力分別降低14.4%，27.8%，37.9%。相對渠底單排水系統(tǒng)，供水流量為200 L/h時，雙排水系統(tǒng)最大揚壓力降低22.73%，供水流量為250 L/h和300 L/h時，雙排水系統(tǒng)最大揚壓力降低7.79%和13.29%。由此可見，渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)對揚壓力的削減效果優(yōu)于渠底單排水系統(tǒng)，更優(yōu)于邊坡單排水系統(tǒng)。

3.2.2 排水特征

供水流量-水位-揚壓力-排泄流量變化見圖11和表1。

（1） 同一排水系統(tǒng)不同位置排水特征。

由圖11可知：無排水系統(tǒng)時，水從左側(cè)排泄口排出，最大流量為1.26 L/h；采用邊坡單排水系統(tǒng)，供水流量為150 L/h時，邊坡右側(cè)排水流量為10～60 L/h，左側(cè)為2～25 L/h；采用渠底單排水系統(tǒng)，渠底排水裝置排水流量為130～300 L/h；采用渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)，渠底排水流量150～300 L/h，邊坡右側(cè)5～40 L/h，邊坡左側(cè)2～15 L/h。可見，同一排水系統(tǒng)，右側(cè)邊坡排水大于左側(cè)，說明集水管的存在有效促進了水的排泄。對于渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)，供水流量為150，200，250，300，350 L/h時，到達最大水位前2 min內(nèi)的排水流量中，邊坡左側(cè)排水流量占比為0～5.77%，右側(cè)排水流量占7.69%～15.73%，渠底排水裝置排水流量占82.02%～90.91%，渠底排水能力遠大于邊坡排水能力。

（2） 不同排水系統(tǒng)排水效果。

由表1可知：到達最大水位前2 min內(nèi)，供水流量為150 L/h時，邊坡單排水系統(tǒng)、渠底單排水系統(tǒng)和渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)排水量分別為64.32，141.36，158.62 L/h，可見渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)排水效果明顯優(yōu)于渠底單排水系統(tǒng)大于邊坡排水系統(tǒng)。

4 討 論

基于試驗結果可知，在基巖裂隙弱透水渠段，合理布設集水管、輸水管和排水器形成渠底和邊坡排水構成的完整系統(tǒng)具有良好的排水減壓效果。具體排水減壓方案可設計為：在渠底和渠坡襯砌下方設粗砂墊層，粗砂墊層中鋪設縱向和橫向集水暗管，縱向集水管平行水流方向布置，匯集集水管上方區(qū)域內(nèi)的邊坡滲流，橫向集水管作為輸水管與邊坡逆止式排水器和渠底排水裝置連接，快速輸水和排水，并根據(jù)渠道內(nèi)外的水頭差和襯砌結構特性設置縱向集水管最優(yōu)層數(shù)，形成高水高排、低水低排、分層排水減壓的渠底和邊坡雙排水系統(tǒng)，有效減少襯砌結構的揚壓破壞。關于縱向集水管最優(yōu)層數(shù)的設置，劉長喜［27］認為巖裂隙發(fā)育渠段水頭大于4.0 m時宜在渠底和渠坡布置3排軟水透水管；張帥等［16］通過數(shù)值模擬重粉質(zhì)壤土渠段，認為水頭差超過3.0 m時，渠底渠坡應分別設置2排透水管；王維平等［25］研究認為渠坡為強透水土料時，可不必布設集水管。在本次試驗工況下，按照羅輝［15］的破壞臨界值，集水管層間距離小于0.89 m時，經(jīng)渠底和渠坡雙排水系統(tǒng)降壓后，襯砌板不會發(fā)生揚壓破壞?？梢?，縱向集水管層數(shù)設置應綜合考慮渠坡土體滲透性、襯砌結構的抗揚壓能力及水頭差等因素，以不引起渠道內(nèi)坡襯砌板揚壓破壞的最少集水管的層數(shù)為最優(yōu)層數(shù)。

5 結 論

（1） 對基巖裂隙弱滲透介質(zhì)，無集水管時，排水裝置不能開啟，揚壓力較高；有集水管時，排水裝置可順利開啟，有效降低揚壓力。歷史最高地下水位下，同一排水系統(tǒng)，有集水管側(cè)比無集水管側(cè)揚壓力低29.0%～43.7%。不同排水系統(tǒng)，渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)對揚壓力削減效果最優(yōu)，相對無排水系統(tǒng)減壓幅度可達37.9%，相對于無集水管時，渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)減壓幅度可達55.2%。

（2） 對基巖裂隙弱滲透介質(zhì)，集水管可以有效促進水的收集和排泄。無集水管時，滲流流速緩慢，有集水管時，滲流流速加快，排水裝置順利開啟排水，同一排水系統(tǒng)，有集水管側(cè)排水量成倍高于無集水管側(cè)。不同排水系統(tǒng)，渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)排水效果最優(yōu)，分別是邊坡排水系統(tǒng)和渠底單排水系統(tǒng)的2.5倍和1.1倍。采用渠底及邊坡雙排水系統(tǒng)，渠底排水裝置排水量占82.02%～90.91%，遠大于邊坡排水裝置。

（3） 裂隙發(fā)育的基巖深挖方渠段，高水頭差和裂隙水無序集中排放是造成襯砌結構破壞的主要原因，基于試驗結果，建議設置縱橫集水暗管與排水裝置連接的渠底和邊坡網(wǎng)絡排水系統(tǒng)，以減少襯砌結構的揚壓破壞。當渠內(nèi)外水頭差超過排水系統(tǒng)的最大降壓幅度時，可通過增設邊坡集水暗管層數(shù)和加密排水管網(wǎng)來提高排水降壓效果，將揚壓力降至安全范圍。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

In order to explore the law of drainage and decompression of the slope in the deep excavated rocky section of a channel in Jiaodong Water Diversion Project，according to the hydrogeological exploration parameters and the channel section size，a sand tank experimental model was designed，and the drainage and decompression experiments of various schemes such as no drainage system，single slope drainage system，single bottom drainage system，and dual drainage system at the bottom and slope were carried out.The results showed that under the condition of the highest recorded groundwater level，for the same drainage system，the uplift pressure of the side with catchment pipe was 290%～437% lower than that of the side without catchment pipe.For different drainage systems，the dual drainage system at the bottom and slope of the channel had the best decompression effect，the decompression range can reach 379% compared with the non-drainage system but with the catchment pipe，and the decompression range can reach 552% compared with the non-catchment pipe.Among different drainage systems，the drainage effect of the double drainage system was the best，which was 25 times and 11 times than that of the single slope drainage system and the single bottom drainage respectively.In the double drainage system，the drainage volume of channel bottom drainage device accounted for 8202%～9091%，which was much larger than that of slope drainage device.Based on the experimental results，it is concluded that for the deep excavated rocky channel section with developed cracks，it is appropriate to design a dual drainage system of channel bottom and slope network connected by vertical and horizontal drainage pipes and drainage devices to reduce the uplift pressure damage of lining structure.

Key words：

deep excavated channel；drainage and decompression；decompression effect；drainage volume；Jiaodong water diversion project