西北某灌区渠道渗漏数值试验分析研究

顾喜贵

（大通县宝库渠管理所，青海 大通810100）

农业生产依赖于水资源，如何有效调控水资源，保证农业基本用水， 需要人工进行水资源干预或调控，因而灌区这类农业水利工程孕育而生［1-3］。 渠道作为灌区直接发挥作用的重要载体， 保证渠道的密闭性，提升灌区灌溉效率，渠道是重中之重，故开展渠道渗漏特性研究具有实际重要意义［4，5］。 国内外已有众多学者通过室内模型试验研究了渠道下卧土层对渠道渗漏特性影响， 及获得了渠道内水流水力特性，为渠道防渗提供了重要参考［6-8］。 还有一些学者通过设计不同材料的渠道形式，研究渠道渗漏特性［9］；另渗漏特性的影响因素很多学者亦开展了， 通过静水试验等研究手段， 开展了地下水位或土质对渠道渗漏影响规律［10-12］。 数值试验作为简单高效的一种手段［13，14］，能最快效率获得渠道渗漏结果，模拟计算出很长一段时间内渠道入渗状态， 为渠道防渗结构设计提供了重要理论参考。

1 工程概况

西北地区由于水资源受干旱气候影响， 造成农业灌溉水资源极为珍贵， 故而引黄河之水解决灌区水源匮乏的棘手问题。灌区包括有输水渠道、灌水设施、引水设施等，而在本文研究对象所在灌区共有干渠5条、支流渠7条，最长渠道可达60km，均可实现农业用水灌输到农田中，可帮助灌溉农田面积5.33万hm2，引黄至该灌区内水资源量达10亿m3。 作为地区内农业生产重要水资源输送渠道， 但由于灌区规划年代久远，部分渠道设施出现老化及破碎，特别是渠道衬砌结构稳定性较差，表面可见明显裂纹，造成渠道密闭性降低， 此种现象对西北水资源匮乏地区更是雪上加霜。由于渠道下卧灌区土层为季节性冻土，相对于一般土层来说，其受到冻胀破坏影响，对衬砌结构的稳定性造成极大威胁， 为此农业水利部门设计采用了格宾石笼衬砌结构形式， 布置在渠道除敞口以外其他部位， 减少渠道内水压力对衬砌结构的冲击上扬荷载，减弱冻土冻胀特性对衬砌结构破坏，加强渠道内密闭性，降低水运输损耗率，其中一种衬砌结构布置形式如图1。 渠道内淤积土较严重，且部分浆砌混凝土损坏，渠道部分现状如图2。

图1 不同衬砌结构布设形式

图2 渠道现状

根据对灌区内地质调查及土层钻孔发现， 灌区内属河流冲积阶地，区域内无不良地质现象，场地条件较高，北部高程高出南部162m，且北部土层分布亦较厚，主要为耕种栗钙土，含水量较高，最厚处超过11m，土壤偏碱性，另还有厚度约3.5m的冻土层与种植土堆积交织。灌区内岩层主要为花岗岩，地表出露岩层风化程度较高，磨圆度较高，岩层内含有破碎夹带，含有泥岩在夹层中，地下水位较高，地区内气候除6～8月为冰雪融化期， 其他时间及季节均较为很冷。 渠道下部铺设有300mm后卵石垫层，以混凝土预制板作为渠道基本构件材料。

2 灌区渠道渗漏计算理论与数值试验

2.1 计算理论

为改善及提高灌区内输水设施的运行效率，灌区管理部门考虑对渠道进行维修养护， 重点降低渠道渗漏特性， 故而本文将以该渠道开展渗漏数值试验，提升农田用水效率。有限元数值试验方法将渠道渗漏问题转化为二维渗流问题， 基于求解渗流微分方程，进而探讨渠道内渗漏状态。

平面渗流状态微分方程及边界条件可表示为：

式中 H0，H1为水头条件；Г1，Г2分别为边界条件；q，w分别为流量与蒸发量。

渠道内稳定渗流微分方程可解得：

在有限元数值分析中，利用泛函分析手段，获得渗流极限值，泛函式即式（3）：

根据有限元离散插分，式（3）又可表示为：

2.2 数值模型

本文将利用Geo-Studio有限元软件开展分析，以SEEP/W模块建立分析模型，渠道渗流量45m3/s，输水总量按照渠道放大系数换算， 其中本工程中渠道放大系数参数设置为1.3，渠道模拟计算基本尺寸设定为宽、高为20，3.5m，坡度为0.751，研究区域分别向上下游延伸500m，渠道基础以下设定为100m厚，几何模型及数值模型如图3。施加定水头、不透水边界约束。

图3 几何模型及数值模型

为研究影响渠道渗漏不同影响因素， 本文以渠水位与地下水位深度、衬砌形式、格宾石笼宽度3个因素开展渗漏分析，并制定出相应研究工况。

3 试验结果分析

3.1 渠水位与地下水位深度对渠道渗漏影响

分别给定渠水位为0.5，1，1.5，2，2.5，3m，地下水位为渠底0.5，9m，为分析方便，本文给出在地下水位0.5，9m下、 渠水位分别为1，2，3m的工况渗流结果云图，如图4。

图4 渗漏量分布云图（左、右分别为地下水位0.5，90m）

依据渗流结果云图给出各个工况下渠道渗漏量，如图5。

图5 渠道渗漏量（地下水位）

从图5可看出，当地下水位为0.5m时，渠水位亦为0.5m，渗漏量7.42×10-6m3/s，而渠水位依次增加至3m，渗漏量增长幅度为2.94倍，渗漏量亦达到地下水位0.5m工况中最大值，达2.92×10-5m3/s，而相比于渠道水位1，2m分别增长了153.9%，43.8%。 根据分布云图可看出，随着渠水位增大，渠道下卧土层中受渗漏影响面积逐渐扩散，渠水位1m时，渗漏主要出现在渠道两侧边坡内，此处分布较为密集流线，而渠水位增大至3m后，由于渗漏量影响，土体内含水断面增大，渠道两侧边坡内的流体逐渐分散至更深层的土体内，渗漏较严重。 相比地下水位0.5m，地下水位90m时，最大渗流量达4.28×10-4m3/s，为渠水位3m工况，相比于渠水位0.5m时，增长了10.9%；而渠水位1，2m时渗漏量分别达3.95×10-4，4.17×10-4m3/s， 渠水位3m相比前两者增长了8.4%，2.6%。与地下水位0.5m时对比可知，同一渠水位下地下水位增长至90m时，渗漏量显著高了1～2个量级，渠水位3m时，地下水位90m相比0.5m时渗漏量增长了13.7倍；另对比两个地下水位之间渠水位增长带来的渗漏量影响可知， 地下水位90m下，渗漏量显著高于前者，但在各级渠水位增大过程中渗漏量增长幅度显著低于前者，地下水位90m时， 每增长0.5m渠水位， 渗漏量平均增长幅度为2.1%，而地下水位0.5m时平均增长幅度达32.2%。 综上分析表明，地下水位处于较深时，渗漏量显著会增大， 但渠水位促进渗漏量特征相比浅地下水位时会削弱，分析指出当地下水位较浅时，渠水位的变化对下卧土层中水力坡度敏感影响性较高， 进而带来渗漏量在不同渠水位中显著性变化； 当地下水位足够深时， 渠水位变化相比于地下水位与土层中水力坡降的差异是微乎其微， 因而深地下水位条件下渠水位的变化，对渗漏量改变较小。

3.2 衬砌形式对渠道渗漏影响

前述渠道采用格宾石笼的透固体衬砌结构形式，但衬砌结构可布设在渠坡底部、渠底中部、两侧渠底3种形式，为此，本文将针对3种形式分别给出渗漏计算结果。 为分析方便，以地下水位0.5，1m，渠水位1m为例，获得渠道渗漏结果云图如图6。

图6 渗漏量分布云图（左、右分别为地下水位1m、0.5m）

不同工况渗漏量计算结果如图7。

图7 渗漏量与入渗量计算结果（衬砌形式）

从图6、 图7可看出， 在同一地下水位及渠水位时，渠坡底部渗漏影响面积最广，渠底中部影响范围最小，渗漏量以渠坡底部布设形式最高，当地下水位1m时渗漏量达2.43×10-5m3/s， 渠底中部布设渗漏量最低，地下水位1m时渗漏量为前者的85%，达2.08×10-5m3/s，但渠底中部与渠底两侧的布设形式在入渗量上基本一致，均低于渠坡底部的衬砌布设形式。

为对比不同衬砌布设形式对渠道渗漏影响，引入孔隙水压力变化曲线， 本文给出地下水位0.5m时的渠道右坡内孔隙水压力在渠道内变化曲线，如图8所示， 以线性拟合方式求出三种衬砌布设形式浸润线高程值分别为0.007，0.11，0.055m， 故可知在渠道底坡处布设时浸润线下降最大，达0.493m，渠底中部布设形式浸润线下降最少，为0.39m，即可知渠道底坡布设衬砌时渠道入渗量最多， 渠底中部布设形式渗漏最少。综上所述对比分析，表明不同衬砌形式均会减少渠道入渗量， 但为了减少衬砌结构的冻胀损坏，渠道入渗量应尽量大，防护衬砌结构，但入渗量又不应过大，而导致孔隙水压力较大，浸润线较难下降，因而，选择两侧渠底布设衬砌结构，该种衬砌布设形式下，入渗量适宜，浸润线下降较优。

图8 孔隙水压力变化曲线

3.3 格宾石笼宽度对渠道渗漏影响

本文透固体衬砌结构以格宾石笼结合土工布为基本形式， 本文将给出不同格宾石笼宽度影响下的渠道渗漏计算结果， 设定宽度值分别为0.01，0.1，0.25，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，5，10m， 渠 道地下水位统一设定为0.5m。 为了分析方便，本文给出0.1，0.5，3，10m渠道渗漏云图，如图9。 不同格宾石笼宽度下渗漏量与浸润线高程值变化曲线如图10。

图9 渗漏量分布云图（格宾石笼宽度）

图10 渗漏量与浸润线高程计算结果（格宾石笼宽度）

从图9、图10可见，格宾石笼宽度增大，渠道渗漏量水平逐渐增大，浸润线高程值亦逐渐变大；格宾石笼宽度为0.01m时，渗漏量1.88×10-5m3/s，当宽度增大1000倍， 达10m时， 渗漏量亦增大了一个多量级，达4.34×10-4m3/s。 当格宾石笼宽度控制在较小值时，浸润线高程仍低于地下水位，格宾石笼宽度为0.1m时，浸润线高程为0.2m， 当格宾石笼宽度超过地下水位0.5m时，宽度达到1m时，浸润线高程增大了4.9倍，达1.18m。 渗漏量与浸润线高程应综合考虑再选取合适的格宾石笼宽度值，从图10曲线中可发现，在宽度为0.5m内，渗漏量增长显著，增长速率较快，渗漏量受宽度影响较为敏感，当超过宽度0.5m时，渗漏量增长曲线变缓，增长速率较慢，从渠道防渗及保护衬砌结构的角度考虑，以拐点0.5m作为格宾石笼宽度较佳。

4 结语

（1）研究了渠水位与地下水位对渠道渗漏影响，同一地下水位下渠水位愈高，渗漏量愈大，地下水位0.5m时，渠水位3m相比0.5m渗漏量增长了2.94倍，达2.92×10-5m3/s，同一渠水位下，地下水位90m相比0.5m增长了13.7倍，地下水位增大，渗漏量变大，但渗漏量随渠水位增长幅度减小，每增长0.5m渠水位，渗漏量平均增长为2.1%。

（2）获得了不同衬砌布设形式对渠道渗漏影响，其中以渠坡底部布设为最高渗漏量， 地下水位1m时渗漏量达2.43×10-5m3/s， 渠底中部布设渗漏量最低；浸润线下降高程最小为渠底中部布设形式，达0.39m， 综合入渗量不宜过大与浸润线下降高程最佳原则，选择两侧渠底布设，入渗量与浸润线下降最优。

（3）分析了不同格宾石笼宽度对渠道渗漏影响，格宾石笼宽度增大，渠道渗漏量与浸润线高程均增大，宽度为0.01m时，渗漏量1.88×10-5m3/s，宽度增大1000倍，渗漏量增大1个多量级；渗漏量随宽度增大存在临界拐点，以宽度0.5m为界，超过0.5m时，渗漏量增长较缓；低于0.5m时，渗漏量受宽度值变化较敏感。