高地下水位灌区渠道渗漏数值研究

隋保生，梁 伟

(聊城市水利局，山东 聊城 252000)

1 概述

我国是农业大国，灌溉用水是主要的农业用水，随着时间推移，灌区渠道内渗漏问题越来越明显，水资源的大量浪费对于本来就缺水的地方造成了很大影响，加大对灌区渗漏的研究意义重大。

受地下水影响的灌区渠道内衬砌的研究比较复杂[1]。杨红娟[2]等对饱和-非饱和土壤内水的运动进行了试验，分析了渠道发生渗漏时地下水的变化情况。刘持峰[3]对渠道内渗漏的水力特性进行了研究，并提出了对应公式。蒋娟[4]对宁夏地区灌区渠道衬砌的影响因素进行了汇总研究。薛禹群[5]对渠道内稳定渗漏现象进行研究，总结出非稳定运动时的运动公式。数值模拟在灌区渠道内也用广泛的应用[6- 7]。Soneneshein[8]等人使用MODFLOW软件建立的地下水模型对灌区河渠的渗漏量进行了研究。李睿冉[9]、毛晓敏[10]等人使用HYDRUS- 2D软件对渠道内地下水在土壤中的变化进行数值分析。李梅婷[11]等使用AutoBANK程序对透固体衬砌渠道的渗漏量进行了分析研究，并提出衬砌的设计要根据当地的地质土壤和气候条件。

本文在前人研究的基础上，针对所选灌区内地质条件使用Geo-studio软件对不同衬砌布置形式下灌区渠道渗漏进行对比分析研究。

2 模型建立

灌区工程内水资源总量少且分布不均造成水资源的利用度低，为了解决该问题，在该区域修建许多灌水渠，总长达到1632km，累计灌溉面积达到698万亩。

本文对该灌区渠道渗漏问题采用经典的Geo-studio软件中的SEEP/W模块进行仿真计算。通过计算对边坡的不均匀条件、孔隙水压力等进行分析。在达西定律的基础上，结合当地基本情况进行数值计算，控制方程见式(1)和式(2)。

(1)

式中，kx，ky—x，y—方向渗透系数；H—水头；Γ1—已知水头边界；Γ2—已知流量边界；w—入渗量或者蒸发量；q—边界法向的流量。

在求解平面渗流问题时实际上就是求解函数在流域D内的极值问题，故使得公式(2)求得极小值的函数H(x，y)即为该问题的解。

(2)

计算模型采取渠底宽度为20m，坡降为1∶1.75，渠道宽度为3.5m。为方便计算，渠坡顶点向两侧延长480m，渠底下层地基设置为100m。对平面进行网格划分，采用多边形，整体采用SWEEP扫掠法，在衬砌部分进行适当的网格加密，网格数量为563216个、节点数为632518个。坐标系坐标原点为渠底中心位置，渠道内为设计水位、左右两的水位为原始地下水位、模型底部不透水、渠道表面为透水边界。灌区内渠道局部模型图，网格剖分图，渠道整体边界示意如图1所示。模型内材料分区内渗透系数见表1。

图1 有限元模型

衬砌结构渗透系数/(m/s)混凝土1.0×10-10预制板+土工膜1.0×10-13土工膜+砾石1.0×10-13土工布+透固体衬砌2.0×10-4砂壤土4.24×10-6砂土2.49×10-5砾石土5.0×10-4

渠道内衬砌采用透固体渠道衬砌形式，对渠道内采用不布置衬砌、全衬砌、部分衬砌(布置在渠坡底部、渠底中间、渠底两侧)5种布置形式进行研究。其中，渠底两侧和渠坡底部透固体衬砌的宽度均为1.5m、渠底中间的宽度为3m。计算工况见表2。

表2 衬砌布置形式计算工况

3 结果分析

3.1 渗漏量分析

对不同工况进行计算，无衬砌时渠道计算结果如图2所示，全衬砌时渠道计算结果如图3所示，渠坡底部衬砌计算结果如图4所示，渠底中间衬砌计算结果如图5所示，渠底两端衬砌计算结果如图6所示。

图2 无衬砌时渠道计算云图

图3 全衬砌时渠道计算云图

图4 衬砌布置在渠坡底部时渠道计算云图

图5 衬砌布置在渠底中间时渠道计算云图

图6 衬砌布置在渠底两端时渠道计算云图

根据图2—6可知，在不同位置布置衬砌对于渠道内渗流量有影响，在灌溉期内渗透量普遍大于非灌溉期。在无衬砌时渗透量最大，灌溉期和非灌溉期的渗透量大小分别为：2.52×10-5m3/s、3.99×10-6m3/s。全衬砌的渗透量最小，灌溉期和非灌溉期的渗透量大小分别为：1.47×10-8m3/s、1.48×10-9m3/s。部分衬砌的渗透量在同一个数量级，但是相互之间有所区别。衬砌在渠坡底部的渗透量较大，灌溉期和非灌溉期的渗透量大小分别为：2.43×10-5m3/s、3.91×10-6m3/s。衬砌在渠底中间位置的渗透量较小，灌溉期和非灌溉期的渗透量大小分别为：2.08×10-5m3/s、3.38×10-6m3/s。具体数据见表3。

表3 衬砌形式计算工况

与无衬砌相比进行节水率的分析，节水率见公式(3)。

节水率=节水量/渗透量

(3)

根据公式(3)可知，渠坡底端、渠底中间、渠底两侧、全衬砌的节水率分别为：3.57%、17.46%、9.92%、100%。可以知道衬砌布置在渠坡底端时节水率最低，衬砌布置在渠底中间时节水率相对较高，全衬砌时节水率最高，达到100%。

3.2 浸润线高程分析

对非灌溉期内地下水向渠道内入渗时不同工况下渠道右侧衬砌下表面孔隙水压力随Y轴(高程)的变化曲线如图7所示。

由图7可知，不同工况下渠坡表面孔隙水压力随Y(高程)的变化趋势一样，但是斜率明显不同。孔隙水压力为零时对应的Y轴坐标即为浸润线高程点，无衬砌、全衬砌、渠坡底端衬砌、渠底中间衬砌、渠底两端衬砌对应的浸润线高程分别为：0.015、0.007、0.11、0.055、0.499m。无衬砌时浸润线下降最严重，高度为0.485m；全衬砌时浸润线几乎没有下降，虽然此种形式下可以明显减少渠道的外渗漏量，但是几乎不能降低渠道内地下水位，使得渠坡承受较大的扬压力特别在寒冷冬季可能出现严重的冻裂破坏。

在部分衬砌中，衬砌布置在渠底中间时浸润线下降高度最小，大小为0.39m，渠道外侧水流向区内入渗量最小；衬砌布置在渠坡底端时浸润线下降高度最大，大小为0.493m，渠道外侧水流向区内入渗量最大。

图7 模型计算应力云图

4 结论

本文采用Geo-studio软件以达西定律为基础，根据灌区渠道内水利边界条件进行计算分析，得出以下结论：

(1)从节水率角度考虑，全衬砌时效率最高，节水率为100%；渠坡底端效率最低，节水率为3.57%。

(2)从浸润线下降幅度，渠道安全角度考虑，无衬砌时效果最好，下降幅度为0.485m、全衬砌时效果最差，下降幅度为0.001m。

(3)工程施工时，要根据工程需要进行合理选择。本工程从节水率、浸润线下降幅度、渠道安全角度、工程材料成本等方面考虑采用衬砌布置在渠底中间为最佳布置形式。