U形混凝土衬砌渠道刚性连接缺陷渗漏损失评估方法初步研究

王小东，王红雨，2，李存云

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750021；2.宁夏大学宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川750021)

在季冻区冻融循环条件下，混凝土衬砌渠道及其刚性连接存在严重的冻胀破坏问题，加之施工技术简单、施工质量管理滞后等因素致使刚性连接本身存在很多缺陷裂隙，成为防渗工程潜在的渗漏通道或安全隐患，直接影响着渠道防渗工程功能的发挥和经济效益的实现。然而，目前国内外对这类工程渗漏问题精细化研究成果的报道尚不多见，随着水资源高效利用与灌溉水精细化分配要求的提出，对该问题的准确评价与计算成为亟待研究的课题。

1 渠道渗漏损失评估技术研究进展

渠道渗漏可以从渗漏位置、渗漏量及渗透强度入手进行评析。对于渗漏位置，国内外先后采用过同位素示踪技术[1]、地球物理技术和热红外影像以及综合使用两种技术的监测形式[2-3]，机载遥感技术[4]等监测技术对有关灌区输配水渠道的渗漏情况成功实施监测，但是这些先进的技术只能对渗漏位置和渗透性不同的区域进行定性分析，目前在工程界尚未见定量化监测评估渗漏量的有关报道。在渗漏量及渗透强度计算方法评析方面，目前主要可分为现场试验法、经验公式法、解析方法和数值模拟方法等几种评估形式[5- 6]。其中，现场试验方法原理简单且直接，在我国现行的GB50600—2010《渠道防渗工程技术规范》中推荐使用静水法和动水法进行渠道渗漏测验[7]。但各种现场试验方法都有其局限性，且不能用于渠道规划设计阶段对混凝土衬砌渠道刚性连接缺陷裂隙渗漏损失进行估算。经验公式法、解析法及数值模拟方法虽然能够克服现场试验方法的不足，但目前关于这方面研究成果及工程资料积累较少，利用此类方法进行衬砌渠道缺陷渗漏定量评析时存在一定难度。

本文在裂隙渗流立方体定理基础上提出的裂隙渗流函数的设想，以局部渗漏损失计算为目标，克服当前大部分评估理论中平均思想不能反映防渗衬砌渠道渗漏损失发生位置的不足。

2 混凝土衬砌渠道刚性连接缺陷裂隙渗漏损失评估

完整无损的混凝土衬砌结构被认为是几乎不透水的，渗流主要通过衬砌结构刚性连接及其本身存在的缺陷造成的。

图1 常见的刚性连接方式及缺陷特征

2.1 U形混凝土板衬砌与砂浆刚性连接结构及缺陷分析

根据对宁夏引黄灌区部分地区的实地调查，发现宁夏引黄灌区大部分支斗级渠系防渗衬砌所采用的U形混凝土板衬砌及砂浆刚性连接结构均存在结构性缺陷裂隙。例如，当年新修的许多小型渠道，经过春灌、冬灌输水后，刚性连接存在明显缺陷裂隙，绝大多数刚性连接处有渗漏水通道，其中在取水口附近的衬砌段渗漏比较严重，有的甚至直接冲毁渠堤。在更早以前建设的工程中，刚性连接处则存在更多渗漏通道，且在冻融荷载、渠基土不均匀沉降等因素条件下，衬砌结构本身已经存在严重的断裂、接缝错位等问题。

渠道混凝土衬砌结构连接部位设计缝宽一般为5 cm，以便于填缝施工，填缝材料为M7.5或M10砂浆，施工工艺为甩填。由于这种施工方法技术简单，普通工人一般每天可以填筑80～120 m，但这种施工方法粗糙，不能保证衬砌板连接缝填筑均匀、密实，容易形成潜在渗漏通道和工程隐患。图1为常见的刚性连接方式及缺陷特征。图1a所示的刚性接缝形式优点在于能够提高与衬砌板结合的整体性，可以达到同步变形的目的，同时在发生接缝渗漏时增加渗透路径，一定程度上能减小渗透量，但是由于填缝材料与衬砌板的刚度存在数量级上的差距，在冻胀或沉降变形较大情况下，这种连接方式易在沿垂直其长度方向及交叉连接处发生断裂，形成永久性渗水通道；图1b所示的刚性接缝形式则可以克服沿垂直其长度方向断裂的缺点，但是在接缝交汇处依然存在不协调变形的断裂问题，使得这种连接方式不利于接缝与衬砌板整体作用的发挥，由于融沉不同步更易形成渗透通道，且此种结构渗透路径较短，不利于渗流量的控制。

2.2 混凝土板衬砌刚性连接缺陷渗漏损失计算

混凝土板衬砌刚性连接缺陷裂隙渗漏不同于多孔介质渗流，且其界面不平整，故其渗漏量应该按照裂隙渗流形式计算。本文基于如下假设并利用经过C. Louis修正的岩体裂隙渗透立方体定理[8]对混凝土板衬砌刚性连接缺陷裂隙渗漏损失进行评估：①渠道输水通过缺陷裂隙向外渗漏时，满足达西定理；②渠道输水时，水流为层流稳定流状态；③仅衬砌结构表面的水层通过缺陷裂隙向渠外渗漏，且渗向衬砌板外的水能够被渠床及渠堤土及时输送走；④水体仅在重力作用下向渠外渗漏，水平方向在材料吸力作用下向外渗漏的水量可忽略不计。

沿渠道横断面在渠底取1 cm带裂隙的研究单元体，如图2所示。其渗漏损失

(1)

式中，q为单位长度渗漏流量，cm3/s；g为重力加速度，取980 cm/s2；b为缺陷裂隙的平均宽度，cm；J为水力坡度，基于假设，J=ΔH/L，其中，ΔH为渗流水头，cm，L为渗透路径的长度，cm；v为水的运动粘度，cm2/s，即水的动力粘度与同温度下水密度ρ之比；Δ/b为裂隙界面的相对粗糙度。

图2 刚性连接缺陷裂隙单元体

根据假设及实际设计情况，取ΔH=4 cm(此处取混凝土板的实际厚度)，L=4.2 cm(不包括裂隙界面粗糙所增加的渗透路径)。宁夏地区春灌和冬灌一般在4月中旬和11月中旬进行，取10 ℃条件下水的动力粘度(1.307 7×10-3N·s/m2)和密度(0.997 g/cm3)，计算得，J=40/42=0.952 4；v=0.010 802 cm2/s。假设经过N次冻融循环后，刚性连接的缺陷性裂缝平均为0.05 cm，即b=0.05 cm，裂隙表面的相对粗糙度Δ/b取为0.2，代入式(1)，计算得q=0.71 cm3/s。

某灌溉渠道过水断面示意如图3所示。其设计流量为1.3 m3/s，设计过水断面面积为1.1 m2，湿周为3.45 m，水面宽度B为0.8 m，设计水深H为0.75 m。根据现行的GB50600—2010《渠道防渗工程技术规范》中采用的渗漏损失计算的方法，渠道采用预制铺砌的形式。

(2)

图3 某渠道过水断面示意

根据假设及实际工程中预制的衬砌块的纵向长度40 cm，连接缝宽5 cm，每公里约有2 223个连接缝，经实地调查，在一个冻融循环后，有大约1%垂直渠道走向的刚性连接缝全部开裂，每个连接缝的等效渗漏长度为0.8 m(按单侧通开水平投影等效处理)，按照修正的立方体定理计算得，每公里渠道长度上的日渗漏损失水量为5.39 m3。

2.3 刚性连接缺陷裂隙渗漏损失计算分析与讨论

建立坐标系，Z轴正方向与渠道走向一致。当渠道的走向、坡降、设计流量确定之后，渠道中每个点的位置坐标都是唯一的确定的。

在利用修正的立方体渗流定理时，裂缝的宽度b、相对粗糙度Δ/b、水力坡度J都是其位置坐标的函数，且裂缝宽度与冻融循环的次数N有关，渗漏量与渠道输水水深H有关，即b=f(x，y，z，N)，Δ/b=f(x，y，z)，J=f(x，y，z)。在这些参数确定之后，就可以求出点(x，y，z)处的单位时间内的渗漏量q(x，y，z，N，H)。在此基础上，沿着裂缝开展的方向(即裂缝的长度L)进行积分 ，即可得所求刚性连接缺陷裂隙渗流函数关系Qi，即

(3)

根据实际工程中渠道的长度及裂缝出现的次数N，求出总的渗漏损失水量Q，即

(4)

在假设前提下，忽略了时间因素对结构裂隙的渗透强度的影响。实际上渠基土的渗透能力i(t)是有一定限度的，且与时间有着密切的关系，Horton入渗模型就是基于防渗措施下渠道的渗漏强度与时间的拟合关系曲线提出来的。因此，在计算裂隙渗漏量时，必须考虑渗漏发生的时间点，从而确定是否考虑回水顶托作用的影响。实际输水渠道中的水压力对裂隙渗透强度的影响也必须根据工程情况进行合理考虑的。

2.4 利用裂隙渗流公式评估刚性连接缺陷裂隙渗漏损失的优点

(1)在有较充分的工程资料积累条件下，利用裂隙渗流公式可以实现渗漏损失的精准化评估。在设计阶段，预测可能出现渗漏比较严重的缺陷位置，并通过改进设计、施工、管理方法进行积极预防；通过技术手段，把建立于工程经验基础上的裂隙渗流函数科技化，结合其他的解析理论、数值模拟、遥感红外监测技术等方法，较易实现对渠道输水工程中渗漏损失状况实施高效、便捷、快速、精准化的监测。

(2)裂隙渗流计算函数是从局部缺陷考虑渗漏损失的，从而克服了其他渗漏损失评估方法中平均思想的缺陷，有利于渠道衬砌缺陷的维修与防治。并且这种局部渗漏损失评估方法，能更好地为工程局部维护服务，为改进连接形式、连接材料以及连接方法提供理论支撑。

未来水资源利用将向精细化发展，渗透损失研究也将向精准化的方向发展。随着监测技术地不断发展，在今后的工程实践中，能够积累并综合分析相关工程实例，为混凝土衬砌渠道刚性连接缺陷裂隙渗漏损失评估时相关参数的获取提供参考依据。

3 求解裂隙渗流函数 Qi的边界条件及参数确定方法讨论

3.1 边界条件确定

在满足设计要求情况下，认为未经过冻融作用的混凝土衬砌结构及其刚性连接均是不发生渗漏的，即当N=0时，Qi=0；假设渠道衬砌结构在其设计使用寿命(预制衬砌结构一般在10～20年，此处取为15年)结束时，完全失去防渗作用，渠道相当于一般土渠，根据中国的相关统计资料，单级渠道水的未利用系数约为0.1，即当N=15时，Qi=0.1Q设计；当H=0(即渠道停水)时，Qi=0，还有入渗发生的时间条件。

3.2 参数确定方法分析与探讨

在利用裂隙渗流函数Qi评估刚性连接缺陷裂隙渗漏过程中，裂隙的宽度b、相对粗糙度Δ/b、水力坡度J是最为关键的三个参数，确定的科学与否将直接影响着评估结果的正确性与准确性。根据渗流公式应用对象的特殊性，并结合目前岩体渗流参数确定方法，适合于混凝土衬砌刚性连接缺陷性裂隙渗漏评估中参数确定的方法有：

(1)利用精密观测仪器，对渠道衬砌结构刚性连接缺陷裂隙进行抽样观测，通过综合分析，获得裂隙宽度b的工程经验取值；对刚性连接缺陷取样，在实验室通过电子显微镜等微观观测仪器，测定其裂隙表面的相对粗糙度Δ/b的工程经验值以及与水力坡度J有关的渗透路径。通过大量的工程抽样观测数据分析，确定不同条件下，利用裂隙渗流函数估算刚性连接缺陷裂隙渗漏量时各参数的合理取值范围。

(2)对于刚性连接缺陷性裂隙来说，衬砌结构与裂隙之间的水体交互可以忽略不计，即沿Z向的渗透率Kz为0；其渗流主要取决于缺陷裂隙的空间结构(如裂隙的走向，空间大小)和裂隙自身的特征参数(如渗流通道的宽度、张开度和充填情况等因素)[9]。首先通过电子显示仪器对裂隙走向，空间大小以及裂隙宽度b进行观测，再利用现场自由渗水试验，测定出单位时间内通过选定缺陷裂隙渗漏的水量，最后反算推导出缺陷裂隙面的相对粗糙度Δ/b值。通过抽样现场试验法，积累计算不同缺陷裂隙的渗漏量的相关参数，最终通过综合分析，获得待定各参数的合理取值域。

(3)利用室内模拟实验的方法，获取刚性连接缺陷裂隙渗漏损失各参数值。模型实验中衬砌结构采用工程中所应用的预制混凝土衬砌体，刚性连接与衬砌体之间分别预留2 mm左右的缝隙，采用聚酯树脂填缝，主要是为了利用在液态树脂中加上过量的催化剂后发生放热反映能够产生8～20 mm半径的裂隙来模拟冻融作用下刚性连接所出现的裂隙[10]，并通水观测其渗漏量。之后采用可视化的精密观测仪器对裂隙的特征参数(b、Δ/b以及J)进行观测，利用裂隙渗流公式推算渗漏量，已相互验证其所获结果的准确性。

此外，裂隙渗透张量理论也可以用于刚性连接缺陷裂隙渗透相关参数的确定，在利用过程中，渗透性的各向异性表达时，有一个方向的渗透系数为0。

4 结 论

(1)从实际工程破坏的特征及裂隙产生位置基本一致可以看出，当前季冻区渠道防渗衬砌结构刚性连接在设计、材料、施工等方面还存在较多问题，不能很好地适应现代农田水利设施发展的需求。

(2)规范法计算过程仅能反映单位长度渠段上的平均渗漏情况，而本文提出裂隙渗流函数方法考虑了混凝土衬砌渠道渗漏水位置这一关键因素。

(3)裂隙渗流计算函数目前还需进一步研究确定，但可以预计，此方法的实现不但可以在设计规划阶段进行渗漏预测，施工阶段对关键部位进行重点控制，而且在渠道运行阶段，可以结合其他监测技术对渗漏位置及渗漏量实现高效、精准、快速甚至可视化监测。

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