干旱区长距离输水渠道防渗措施分析

谢晓勇，侍克斌

(1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 工程概况

占我国1/6国土面积的新疆地处西北干旱区，该地区的年降雨量不足200mm，年蒸发量却在1000～3000mm，荒漠化严重、水资源短缺严重制约了农业和经济发展，修建调水工程成为解决区域性缺水问题的首选。长距离输水渠道作为大型调水工程最常见的建筑物，应用十分广泛，但其缺点亦不可忽视，由于输水渠道距离长，内陆干旱区蒸发强烈，输水过程中水量损失比较严重，个别渗流严重的无衬砌渠道的渠道水利用系数仅有60%～70%[1- 3]。对渠道采取有效的防渗措施，当前常见的防渗措施有土料防渗、刚性材料防渗、膜料防渗和组合防渗等[4- 6]。土工膜的防渗性能好，适应变形能力强，适用于各种地区，是一种很好的防渗材料。

某大型输水工程总干渠为大(2)型II等工程，全长133.646km，渠道断面型式主要是梯形断面，为窄深式结构，设计流量78m3/s，加大流量95m3/s，渠深5.6m，底宽4m，边坡系数1∶2，纵坡1/10000～1/12500，采用全断面土工膜、预制混凝土板衬砌防渗，典型断面如图1所示。工程所在地属寒温带大陆性气候，多年平均气温3.4℃，最高气温40.6℃，最低气温-41.7℃，多年平均降雨量112.7mm，多年蒸发量1844.4mm[7]。

工程自2000年通水以来，已为北疆地区的经济繁荣和发展注入了强大活力，集工业、农业、城市饮用水于一体，经济效益、民生效益、生态效益显著。多年来，该总干渠经历了全断面填筑料换填、多次衬砌维修，如今该渠道的输水效率尚未有定性分析，为此，本文利用有限元方法计算渠道渗流量，估算渠道总蒸发量，得出不同流量时的渠道水利用系数，并与实测数据相互对比印证，从而分析总干渠土工膜的节水效果。

图1 渠道典型断面图(单位：mm)

2 计算原理

渠道输水损失包括渗流损失、漏水损失、蒸发损失三部分[8]，其中漏水损失是在渠道施工和管理中应该避免的，可以忽略不计，因为干旱区蒸发强度高、长距离输水渠道蒸发面积大，故蒸发损失不容忽视，渗流损失是渠道输水过程中的主要损失，因此可用渠道的蒸发损失与渗流损失之和代表渠道总输水损失。

2.1 渗流计算方程

稳定渗流微分方程的一般表达式[9]：

(1)

将渗流基本微分方程式(1)与定解条件相结合即可确定渗流的数学模型。渗流计算过程中控制方程常用的定解条件有：

第一类边界条件(水头边界条件或Dirichlet条件)：

h(x，y，z)=h0(x，y，z，t)|(x，y，z∈Γ1)

(2)

式中，h0(x，y，z)—已知水头函数；Γ1—已知水头边界，x，y，z位于Γ1上。

第二类边界条件(流量边界条件或Neumann条件)：

-kiihini=q0(x，y，z，t)|(x，y，z∈Γ2)

(3)

式中，q0(x，y，z)—已知流量函数；Γ2—具有给定流量的边界，x，y，z位于Γ2上；ni—Γ2的外法线方向。

2.2 稳定渗流分析在ABAQUS中的实现及建立模型

多孔介质分析中的关键问题是确定自由面(浸润面)的位置和逸出点。目前，求解自由面的方法包括变网格迭代法和固定网格迭代法[10]。变网格迭代法要确定每次迭代中的自由面，并根据自由面的位置重新调整网格，但在计算的过程中，每次迭代都要改变渗流场的范围并且重新划分网格，有时假定的渗流自由面与实际会相差过大，计算无法进行下去。ABAQUS求解时，根据非饱和土力学理论，采用固定网格迭代法，将计算的渗流区域Ω扩展到整个计算断面，只需要确定渗流逸出点的位置并将自由表面设置为零孔隙压力边界，迭代计算修正逸出点的位置即可，渗流自由面的位置可以通过节点处的孔隙压力插值来获得。

该总干渠2006年以来进行了渠道全段面换填，由于换填时各渠段所用的料场不同，换填料的渗透系数也不相同，因此将总干渠划分为：桩号0+000～52+700、52+700～80+560、80+560～133+646三段。取桩号31+346、60+536、92+800处的渠道横剖面(分别代表上述3段渠道)作为模型计算断面，3段渠道的换填料分别用换填料1、换填料2、换填料3表示，为方便计算，把断面作简化处理，材料划分为三个部分如图2所示，各区域渗透系数见表1。

图2 材料分区示意图

材料分区渗透系数k/(cm·s-1)土工膜8.45×10-9换填料11.44×10-3换填料21.14×10-5换填料32.10×10-3原地面8.64×10-4

模型计算时，共划分1750个节点，1677个实体单元(单元类型为平面孔隙压力单元)，有限元网格如图3所示。定义约束及荷载时，不考虑模型的变形，对模型进行x、y方向的全约束，施加重力荷载及水压力，将土工膜与换填料的接触面、换填料与原地面的接触面及右侧边界设置为透水边界。

图3 有限元网格划分

2.3 蒸发量估算

在渠道运行期间，蒸发量与蒸发强度、水面面积和水流时间等因素有关，并可表示为：

E0=ε0FT

(4)

式中，ε0—水面蒸发强度；F—水面面积；T—水流时间。使用该式计算水面蒸发量E0时，ε0可用当地在运行时段内的水面蒸发强度代替，T取1d。

2.4 渠道水利用系数

渠道水利用系数为某一渠道的净流量(净水量)与渠首毛流量(毛水量)的比值。影响渠道水利用系数的因素有：渠床土质、渠道断面、衬砌形式、工作制度、渠道流量等，在其它因素已给定时，可计算渠首日平均水量与每日输水损失水量之差，即渠道日净水量，日净水量与渠首日平均水量的比值为渠道水利用系数。

渠道水量平衡方程为：

ΔQ=E0+q0

(5)

式中，ΔQ—输水损失的水量；E0—蒸发水量，由(4)式计算得到；q0—渗流水量，由模型计算得到。

渠道水利用系数：

η=(Qu-ΔQ)/Qu

(6)

式中，Qu—渠首日平均放水量，可在渠道运行日志查得。

由(5)、(6)两式可知渠道水利用系数η=(Qu-E0-q0)/Qu。

3 结果分析

3.1 防渗效果

桩号92+800处断面模型计算(流量53.63m3/s)得到的孔隙压力云图如图4所示，由图4可以看出，灰色区域的孔隙压力为负值，意味着该区域是非饱和的[11]，而孔隙压力为零的边界即为浸润面；渗流速度云图如图5所示，从图5中可以看到入渗点和逸出点渗流速度较大。模型计算所得云图中反映的浸润面位置和渗流速度分布基本符合非饱和渗流在土体中的渗流规律。

图4 孔隙压力云图(单位：kg/m2)

图5 渗流速度云图(单位：m/s)

在不同流量下，由(4)式计算得到蒸发量E0，模型计算分别得出各段渠道的单位长度渗流量q，由q推算得出日平均总渗流量q0，再由(6)式计算得出渠道水利用系数。

该总干渠在渠首尾两侧布设有流量计，可观测得到日平均流量，由渠尾与渠首日平均流量的比值能估算得到渠道水利用系数的实测值。渠道水利用系数的计算结果见表2。

表2 渠道水利用系数计算表

由表2的计算结果可知：

(1)蒸发量与流量成正比，而渗流量与流量成反比，由于蒸发量占总损失水量的比例较小，因而流量越大时，总损失水量越少，渠道水利用系数越高。

(2)实测渠道水利用系数小于计算值，主要原因是施工及运行的过程中土工膜产生局部破坏，致使渠道在实际运行中产生漏水损失。

(3)正常运行期间，该渠道的渠道水利用系数为90%～97%，表明尽管渠道输水距离长，且已运行多年，经过全断面土工膜及预制混凝土板衬砌防渗后，该总干渠的输水利用率仍然很高，能够满足经济效益和供水保证率的要求，说明土工膜对于渠道防渗起到了关键作用。

3.2 技术经济比较

与常见的几种防渗材料的技术经济比较见表3。 通过上表对比分析，对于长距离输水渠道，使用土工膜作为防渗材料，既能够保证渠道对防渗、适应变形能力的要求，同时也能减少投资，是一种比较理想的防渗材料。

表3 防渗材料技术经济比较

4 结论

在内陆干旱区，输水渠道达到133km，输水损失是不可忽视的工程问题，经过研究分析，主要得出以下结论：

(1)渠道输水损失主要是蒸发和渗流，蒸发损失与流量大小成正比，渗流损失与流量成反比，由于渗流损失所占比例更大，因此流量增大时总输水损失减小，渠道水利用系数更高。

(2)常用的渠道防渗方式有土料防渗、刚性材料防渗、膜料防渗和组合防渗等。在正常运行期间，总干渠的渠道水利用系数为90%～97%，经过对比，土工膜能够在保证防渗效果的前提下，减少投资，适用于长距离输水渠道。

通过理论研究、工程运行和实测资料的反馈分析，采取的土工膜防渗措施是有效可靠的，可供同类工程借鉴。