渠底衬砌形式对输水灌渠内水力特征影响分析研究

张 强

（辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003）

1 引言

输水灌渠乃是农业水利工程中重要水利调度设施，输水稳定性与输水耗散率乃是反映输水灌渠设计水平的重要指标[1]。渠底衬砌结构差异性，会影响渠道水流流态，对渠道输水状态也有影响[2]，探讨不同渠底衬砌结构方案下渠道水力特征具有重要意义。丛日军[3]根据输水渠道设计平面图或现状，基于模型试验研究不同结构方案下渠道水力特征变化，为工程建设提供依据。输水灌渠作为一个特殊水利设施，在农业水利工程中常应用传感器监测手段，从不同监测区段内水位、流速特征数据参数[4]，预判输水灌渠输水耗散率出现的根源。根据输水灌渠工程设计或现状，利用仿真模拟平台[5]，可建立数值计算模型，并可根据实际设计方案更改不同参数，探讨不同方案下灌渠水力特征差异或静、动力特征[6]，为评价工程设计最优方案提供参考。文中根据沈阳北输水灌渠不同衬砌结构方案，设计研究了三层式衬砌方案对输水灌渠中水力特征的有利作用，为该类型衬砌方案的应用提供计算依据。

2 灌渠衬砌结构仿真

2.1 工程概况

作为辽宁西北地区重要水资源调配枢纽，沈阳北输水灌渠具有重要战略意义，确保该输水灌渠输水运营稳定性乃是管理部门重点工作。沈阳北输水灌渠全长为125 km，全渠设置有南、北干线及多条输水支线，并在上游集水源往下游用水厂连接处建设有调压塔，塔高为21 m，进出水口截面尺寸为0.8 m，设计最大流量为55 m3/s。沈阳北输水灌渠沿线建设有多种中小型水闸、泄流闸、抽水泵站及消力池等水工建筑，其中过闸流量最大为二道河闸，设计最大流量为105 m3/s，闸室底板厚度为1.2 m，闸门配备有预应力支护结构体系，其运营闸门与输水管线内渠道相匹配，且二道河闸室底板与渠道衬砌结构成为了闸前、后防渗体系，确保渠道内流量不致使发生涡流、奔涌等非稳定性渗流现象。根据对沈阳北输水灌渠调研得知，目前水闸等设施运营效率要再提升一个能级、泵站引水要提升一个标准，这均与输水灌渠衬砌结构现状有所不匹配，故而工程管理部门考虑比较不同衬砌结构断面形式对输水灌渠水力特征影响，以确定一个最适宜于沈阳北输水灌渠的衬砌设计方案。

2.2 衬砌结构方案

为评价不同衬砌结构类型对输水灌渠水力特征影响，文中设计有双层衬砌结构、三层式衬砌结构，其结构几何形态如图1所示。

图1 衬砌结构几何形态图

利用ANSYS数值仿真平台建立两种衬砌结构方案有限元模型[7]，衬砌结构有限元网格模型导入至Fluent渗流仿真平台中，建立研究区段长度为25 m、共有10个特征断面的输水渠道计算模型，如图2所示。根据沈阳北输水灌渠运营实际，设定上游来水流量为6 L/s、8 L/s、10 L/s、12 L/s，基于两种不同衬砌结构方案开展输水渠道内水力特征对比分析。

图2 输水渠道特征断面

3 衬砌形式对灌渠水位影响

3.1 不同流量下水位特征

根据上游不同来水流量计算获得两种衬砌结构方案下各断面上水位特征，如图3所示。从图3可知，相同衬砌结构方案中，不同流量下各断面水位变化特征具有一致性；在复合双层式衬砌结构方案中，其各断面上水位线呈“U”型特征，以中游断面上水位为最低，该衬砌结构方案中流量8 L/s下，中游断面12.5~17.5 m上水位稳定在1.06 m，而全断面上平均水位较前者增长了9.9%，表明输水渠道中游受上游流量影响更具显著。

从不同流量间平均水位对比可知，双层式衬砌结构方案中，在流量6 L/s下全断面上水位分布在0.72~0.96 m，平均水位为0.86 m，而流量为8 L/s、10 L/s、12 L/s中平均水位较前者分别增长了36%、74.4%、129.1%，特别的是当流量每增大2 L/s，则全断面平均水位可增长31.9%。而在中游断面处，各流量工况在中游断面的平均水位随之增幅为38.8%，同理在三层式衬砌方案下该增幅为23.6%。当渠底为三层衬砌结构时，其各断面上水位均较双层式衬砌结构下上升，而在流量6 L/s下平均水位两者相差37.2%，同样在流量8 L/s、10 L/s、12 L/s下三层式衬砌结构平均水位分别有增幅20.5%、15.3%、10.7%。另一方面，在三层式衬砌结构中，每增大流量2 L/s时，渠道全断面平均水位可增长22.7%，相比双层式衬砌结构方案，三层式衬砌结构方案受上游流量影响敏感度更弱。分析认为，当上游流量愈大，则双层式衬砌结构中渠道水位变幅更大，易造成渠底、渠坡受动水压力冲击影响，造成灌渠两侧泥沙流失，形成水流裹挟泥沙较严重的局面[8]。

图3 不同流量下各断面水位特征

3.2 不同衬砌结构下水位特征

文中以典型流量工况下衬砌形式影响渠道水位开展分析，图4为流量6 L/s、10 L/s下不同衬砌方案的全断面水位变化特征。

图4 不同衬砌结构下断面水位特征

从图4中可知，有衬砌结构下水位稳定性高于无衬砌方案，流量6 L/s工况下，无衬砌方案中最大、最小水位分别为0.72 m、0.35 m，各断面间水位平均变幅为22%，而最大变幅出现在断面12.5 m与15 m间，达50.5%；同样的在三层式衬砌方案中，全断面水位平均变幅为2.7%，最大变幅不超过6.5%，渠道内断面水位稳定性较优，不易受涡流、紊流等非稳定渗流影响。对比不同衬砌方案全断面平均水位可知，三层式衬砌结构方案下平均水位最高，在流量6 L/s工况中可达1.18 m，而无衬砌方案中平均水位较前者减少了50.1%；同样在流量10 L/s中无衬砌结构方案平均水位相比双层式、三层式衬砌方案分别有差幅11.7%、20.3%，且三层式衬砌方案中各断面间水位最大变幅不超过2.6%，表明流量愈大，不同衬砌结构造成的水位差幅愈小，且多层式衬砌方案在高流量下水位稳定性仍较佳。

4 衬砌形式对灌渠流速影响

图5为不同衬砌结构方案下各断面流速变化特征。从图5中衬砌结构方案与流速关系可知，不论是低流量工况，抑或是高流量工况中，三层式衬砌结构方案中各断面流速为最高，且稳定性为最优。在流量6 L/s中三层式衬砌结构方案全断面流速分布为0.276~0.28 m/s，无衬砌方案、双层式衬砌方案断面上流速与前者差幅分别为61.8%~75.8%、41.5%~42.8%；从断面平均流速来看，三层式衬砌方案下平均流速为0.279 m/s，而无衬砌方案、双层式衬砌方案下平均流速较前者分别减少了69.9%、42.3%；同样当流量增大至10 L/s后，三层式衬砌结构方案中与无衬砌方案、双层式衬砌方案下平均流速差幅可达69.7%、43.9%，表明无衬砌方案下灌渠内阻流、泥沙裹挟较严重，水流流态受抑制影响，流速水平较低。从断面上流速变化可知，流量6 L/s工况中，无衬砌方案中断面间流速最大变幅为46.9%，而在双层式、三层式衬砌结构中最大变幅分别为1.2%、0.78%；特别是高流量下，无衬砌方案变幅增大，可达53.3%。通过以上分析可知，输水灌渠若无衬砌结构，则易导致渠道断面上流速受两侧土层面、渠底防渗面等摩擦面影响，造成在不同摩擦系数断面上出现流速较大变幅与不稳定现象。

图5 不同衬砌结构下断面流速特征

5 结论

（1）双层式衬砌方案中，各断面上水位线呈“U”型特征，以中游断面受来水流量影响更具显著；当流量每增大2 L/s，双层式、三层式衬砌方案中全断面平均水位分别增长31.9%、22.7%。

（2）有衬砌结构下水位稳定性高于无衬砌方案，全断面上无衬砌方案平均变幅为22%，而三层式衬砌方案下为2.7%；三层式衬砌方案下平均水位最高，流量愈大，不同衬砌结构形式间水位差幅愈小。

（3）低流量工况与高流量工况中，三层式衬砌方案中各断面流速为最高，三层式衬砌方案有助于削弱渠底摩擦面、阻流面影响，非稳定流态现象较少。