高地下水位渠段管、井相结合的复合排水及减压效果研究

陈思涵，王 兵，方攀博，韩延成

（1.济南大学，济南 250024；2.山东省调水工程运行维护中心山东莱州管理站，山东莱州 261400）

0 引 言

我国的水资源分配特点是在空间、时间上的分配不足，且水资源利用率低［1］。明渠作为大型调水工程的主要输水形式，在高地下水位渠段，边坡会产生各种不同程度的扬压力破坏，导致滑坡、渠底或坡脚隆起、衬砌板破坏等现象，严重影响正常输水，甚至造成停水等输水事故［2-4］。根据引黄济青、胶东调水工程的统计，当地下水位较高时，一次极端降雨引起的高地下水位就会使渠道衬砌及边坡遭受严重的扬压力破坏［5-7］。

对于渠道内排水降压问题，实际工程多采用在衬砌板下安装纵向排水暗管或按一定间隔布置排水器的方案降低扬压力［8-12］。学者们对排水效果的数值模拟、暗管排水方案等方面进行了研究［13-18］，左海凤等建立了南水北调中线磁县段三维水文地质结构模型及其内排段地下水向渠道排水的三维数值模型［8］，高丹盈等建立了排水管网模型，分析了排水管间距及基础土层渗透性对渠道内外水头差的影响［19］，徐虎城等阐述了北疆供水工程为治理泥岩深挖方段采用在渠底沿纵向布设PVC排水暗管的措施［20］，黄炜等提出了南水北调中线陶岔至鲁山段渠底由排水垫层、透水软管和逆止阀等组成，而渠坡由塑料排水盲沟作为排水垫层的综合排水方案［21］，崔皓东等研究了不同排渗措施的渗流调控效果及渗流场分布规律［22］。暗管排水具有减少占用耕地、提高土地利用率、运行维护简单、便于机械化施工等优点［23，24］，但其缺点是造价高，排水流量不能人为控制，难以适应特大降雨等造成的极端高地下水位时的应急排水需求［16］。而实际上，渠道扬压力破坏往往是由于极端暴雨等引起的超高地下水位造成的。井点排水降低渠底扬压力多用于渠道施工期时的基坑降水或高水位地区边坡衬砌或支护，具有排水量大、施工简单、安全，排水量可以人为控制，较适宜于极端高地下水位时快速降低地下水位情况［25］［26］。有研究发现将排水井向靠近渠坡方向移动，单根排水井对渠坡抗滑保护范围最大［27］。还有研究表明对具有集水井抽排的断面通过连续抽排作业，可大幅减少渗漏量，但有可能会在运行期增加干渠的输水损失［28］。也有学者对衬砌下排水管网间距组合以及沙砾料垫层厚度进行了研究［29］。另外，地下水位较高的地区，输水明渠在施工期一般都会布设排水井以达到干地施工要求。然而这些排水井在施工结束后基本都会被填埋或废弃。运行期如何充分利用这些施工排水井，以及在设计阶段如何统筹优化排水井的位置，也是值得研究的问题。

综上所述，前人已经对渠道施工期井排和运行期暗管排水的布设方法、数值模拟等进行了研究，但缺乏对暗管排水与减压井排水结合的模拟方法研究。本文提出采用在渠道内侧建减压井，采用纵向暗管排水与减压井排水相结合的方式，并以胶东引黄调水工程莱州段趴埠周家桥至后趴埠东交通桥段为例，采用三维地下水数值模拟方法，研究在极端高地下水位情况下，当暗管排水无法满足降压排水的需求时，在渠道内侧设置减压井达到防扬压破坏的效果，并研究排水井间距、井内水深对渠道内外水头差的影响。本文所提出排水暗管自流内排与减压井相结合的排水方法，为渠道衬砌在高地下水位情况下的排水减压提供参考，也为二维模拟时无法将排水管与排水井进行耦合的问题提出解决思路。

1 工程概况与水文地质条件

1.1 工程概况

胶东地区引黄调水工程是国家南水北调东线工程的重要组成部分。工程从山东省滨州市打渔张引黄闸引黄河水，输送至至威海市米山水库，输水线路总长482 km。研究区位于胶东引黄调水工程莱州段，莱州市境西南部沿海低缓丘陵区，地处趴埠周家桥至后趴埠东交通桥段之间。研究区西北为渤海，直线距离2.0 km。距离莱州市城区9 km，西侧紧邻大莱龙铁路，东南侧有国道G206 和荣乌高速G18 自西向东贯通而过。现状排水方案采取的是垂直于岸坡设置逆止式排水器（管长44.6～53.0 cm，管径8 mm，见图1），每隔10 m 一个。由于淤堵等原因，现状排水器排水效果不佳，部分甚至失效（图2、3）。

图1 垂直于岸坡的逆止式排水器布置图Fig.1 Layout of the backstop drain perpendicular to the bank slope

图2 逆止式排水器Fig.2 Backstop drain

图3 逆止式排水器现状图Fig.3 Status diagram of the backstop drain

由于渠道两岸地势较高，渠道地势较低，地下水位较高，造成渠道渠道边坡遭受扬压力破坏。经调查，扬压力破坏主要发生在汛期降雨量较多的时间段，主要表现为边坡衬砌板塌板、鼓胀和渠底衬砌板冲毁等（见图4），对输水安全造成极大的威胁。工程建成后，已经过多次大修，仍然不能解决问题。因此，为保证渠道输水安全，减小维修量，需要对地下水排水方案进行研究。

图4 渠道扬压力破坏情况Fig.4 Channel lift pressure damage

1.2 水文地质条件

本研究在渠道两侧新建4 眼勘察井，对水文地质条件进行了研究。对涌水量较大的SK2井和SK3井进行了两个落程抽水试验，且对SK1 井和SK2 井进行了多孔抽水试验。同时选择GK1 勘探孔进行常水头注水试验。为了进行地下水位长期观测，将GK1 孔和GK2 孔作为观测孔。根据地质勘察结果，研究区上层为素填土、黏土，下层主要为古元古界粉子山群岗嵛组二云片岩、黑云片岩夹黑云变粒岩，巨屯组含石墨黑云斜长变粒岩及石墨大理岩等。本文所模拟断面位于桩号62+809（SK1-SK2）。根据地质勘察报告，含水层从上到下共6层，不同地层的水文地质参数如表1。

表1 不同地层地质参数Tab.1 Different stratospheric geological parameters

2 排水方案设计

经过调查研究，初步确定以下排水方案：

（1）纵向水平排水暗管排水。这种排水方式在渠道两侧衬砌板下沿纵向设置水平排水暗管排水连接逆止式排水阀将地下水排入渠道。其优点是土地利用率高，排水量稳定，运行、维护简单和节省劳力。其缺点是成本高，且排水量不能根据降雨量和地下水位人为控制，不能迅速降低极端降雨造成的高地下水位。

（2）井点排水。这种排水方式是在渠道周围设置排水井，通过抽水降低地下水。这种排水方式优点是排水量可以人为控制，可迅速降低极端降雨造成的高地下水位。其缺点是需要24 小时开启水泵，电力消耗以及日常维护费用较高，会大幅增加运行人员的工作量，遇到断电等情况，渠道边坡可能会遭受扬压力破坏，不太适合正常运行期地下水位时的排水。

（3）水平纵向暗管排水与减压井排水相结合。针对上述两种排水方案的优缺点，本文提出一种在渠道内侧设置排水井，同时在渠底设置水平纵向排水管的复合排水方案。在日常排水时，只用水平纵向排水管，在汛期遇到超警戒地下水位时，开启排水井将水抽入渠道，迅速降低地下水水位。另外，常规的井排设置在渠堤上或渠堤外。其缺点一是距离衬砌板较远，对降低渠道内地下水位有限，二是井排抽出的水无处存放，很容易重新渗入地下水。因此本文提出将排水井放置于渠道二级马道，当启用排水井时，将抽出的水排入渠内（见图5）。

图5 排水暗管及排水井放置示意图Fig.5 Schematic diagram of the placement of drainage culverts and drainage wells

3 数值模型

3.1 渗流控制方程

根据水文地质概念模型，将研究区地下水流系统概化为非均质各向同性三维非稳定地下水流系统，渗流控制方程为［30］：

式中：h为含水层水头，m；h0(x，y，z)为含水层初始水头，m；h1(x，y，z，t)为含水层给定水头，m；k为含水层渗透系数，m/d；μ为含水层给水度；P为含水层开采强度，m/d；Γ1为给定水头边界；Γ2为已知流量边界；Ω 为计算区范围；q(x，y，z，t)为含水层侧向单宽补排量，m2/d，流入时取正，流出时取负，隔水边界时取0；n为边界上的外法线方向。

3.2 衬砌板抗浮稳定分析

衬砌板抗浮稳定系数：

按照最不利情况进行计算，检修期时，假设衬砌板顶面水压力为0，水压力直接作用于衬砌板底面，此时采用混凝土衬砌板的饱和容重25 kN/m3，厚度0.06 m，当安全系数Kf≥1.05 时，则要求Δh≤0.14 m。

3.3 模型构建

模拟区域位于桩号62+809（SK1-SK2），沿渠道纵向取长200 m。根据勘测井位置等条件，左、右两岸各取200 m。模型求解采用有限元法求解，使用四边形网格剖分，剖分后共157 233 个节点和251 307 个单元（见图6）。所计算典型断面渠基的水文地质参数均根据水文地质勘探结果（见表1）。选取渠道内无水的情况作为最不利情况进行模拟。

3.4 边界条件概化

模型左、右岸为定水头边界（最高水位由莱州市在研究区布设的观测井观测值及历史实测降雨进行大范围数值模拟得到［31］）。由于渠道衬砌板下设有防渗膜，实测渗漏量很少，所以渠道边坡及渠底部为不透水边界。排水井井内水位为定为水头边界。由于流入暗管的地下水经集水器和逆止阀排入渠道，所以采用纵向排水暗管时（直径为10 cm），暗管四周概化为排水边界（见图6）。

图6 研究区三维网格剖分结果（单位：m）Fig.6 Results of 3D mesh profiling of the study area

4 模拟结果分析

4.1 单纯使用暗管排水方案

未使用减压井抽水时，只在渠道两侧距离渠底10 cm 处设排水暗管自流内排，暗管管径10 cm。渠道左岸分别取定水头20、21、22、23 m，右岸分别取定水头22、23、24、25 m 4 种方案（见表2）。模拟得到方案四情况下自由水面线（图7）、渠底及边坡所受水压图（图8）、总水头分布（图9）。渠底中心、坡脚等典型位置所受水压、水头值见表2。

表2 仅设置排水暗管时典型位置水压、水头值Tab.2 Water pressure and head values at typical locations when only drainage culverts are installed

图7 方案四情况下总水头云图与自由水面线图Fig.7 Total head cloud and free water line diagram for Scenario 4

从图8 和图9 看出，渠床所受水压呈倒U 形，渠底中心最大，两侧逐渐减小；水头值呈W 形，排水管处最小，渠底中心处最大。由表2 可知当地下水位达到24 m 时，渠道坡脚处衬砌下的压力水头已接近倾覆破坏的临界值，说明仅使用排水暗管已无法满足需求，此时渠底中心及两侧的衬砌板易被冲毁。

图8 不同方案渠底及边坡处总水压图Fig.8 Total water pressure at the bottom and side slopes of the canal for different options

图9 不同方案渠底及边坡处总水头图Fig.9 Total head at canal bottom and side slopes for different options

4.2 单纯采用排水井方案

4.2.1 排水井安装在一级马道

当未使用排水管时，在渠道两侧一级马道上每隔25 m设置一个排水井（见图10）。取最不利工况（渠内无水），左侧水位边界22、23 m，右侧水位边界24、25 m，排水井内控制水位分别取16、16.5、17、17.5 m 进行不同方案（见表3）的模拟。图11 为方案1 模拟得到的总水头分布云图及水面线，图12 为沿纵向渠底中心线不同位置所受压力水头图。渠底中心、坡脚等典型位置所受水压、水头见表3。

图10 一级马道排水井布设图Fig.10 Layout of first class horse track drainage wells

图11 方案1总水头分布云图及水面线Fig.11 Option 1 Total head distribution cloud and water surface line

图12 一级马道布设排水井时沿纵向渠底中心线不同位置所受压力水头图Fig.12 Diagram of the pressure head at different locations along the centreline of the longitudinal canal bottom for the deployment of drainage wells in the first-tier bridleway

表3 一级马道布设排水井时典型位置所受水压、水头结果Tab.3 Results of water pressure and head at typical locations when laying drainage wells in first class horse tracks

由图12 可看出，仅使用排水井时，水头在设置了排水井的地方最小，在排水井周围逐渐升高。由于排水井距离渠底中心较远，渠底所受压力水头值的波动幅度较小。由表3 可知排水减压效果取决于排水井内的控制水位。

4.2.2 排水井安装在二级马道

排水井布置位置在二级马道（图5）。用同样的方法，可以模拟得到渗流和扬压力结果。图13 为方案1 模拟得到的总水头分布云图及水面线，图14为沿纵向渠底中心线不同位置所受压力水头图。渠底中心、坡脚等典型位置所受水压、水头见表4。

图13 方案1总水头分布云图及水面线Fig.13 Option 1 total head distribution cloud and water surface line

由图14 可以看出，排水井设置在二级马道时，压力水头在设置了排水井的位置最小，在排水井周围逐渐升高。由于排水井距离渠底中心较近，渠底所受压力水头值的波动幅度较大。

图14 二级马道布设排水井时沿纵向渠底中心线不同位置所受压力水头图Fig.14 Diagram of the pressure head at different locations along the centreline of the longitudinal canal bottom for the deployment of drainage wells in secondary bridleway

由图12、14 及表3 和表4 对比可以看出，同样情况下，排水井设置在二级马道时，降压效果好于一级马道。

表4 二级马道布设排水井时典型位置所受水压、水头结果Tab.4 Results of water pressure and head at typical locations when laying drainage wells in secondary bridleways

4.3 采用暗管与井排相结合的方式

单纯采用排水井方案时，随井内控制水位的变化，渠底扬压力也随之变化。一旦遇到停电等事故不能抽水，地下水位会迅速上升，渠道将遭受扬压力破坏。采用暗管排水与减压井相结合的方式时，在渠道底部设置两根横向集水管，每隔一定距离设置一个逆止式排水器，在渠道二级马道上每隔一定距离设置一个减压井。当地下水水位较高时，地下水将通过排水暗管流入排水器，逆止阀打开，地下水排入渠道后地下水位下降，减小扬压力。当汛期遇到极端高地下水位时，启用减压井，使暗管排水和井点排水同时运行，快速降低地下水位，避免渠道衬砌破坏。

4.3.1 井内控制水位对水头和扬压力的影响

取左岸定水头23 m，右岸定水头25 m。排水井内控制水位分别取16.5、17、17.5 m 进行不同方案的模拟。图15 为排水井间距30 m时不同方案渠底纵向中心所受压力水头值。

从图15可以看出，渠底中心的总水头值沿渠道纵向中心线呈波形分布，在排水井布置处的压力水头值最小，位于两个井中间时压力水头值最大。井内抽水水位对渠底中心所受总水头的影响较大，当井内抽水水位抬升时，导致渠底压力水头增加，当井内水位为16.5 m 时，渠底压力水头较小。当井内水位控制在高水位时（17 m）也基本满足衬砌抗浮稳定性要求。可以看出，采用暗管与井排相结合方案时，排水效果明显好于单纯采用暗管或井排。

图15 排水井间距25 m时井内抽水水位不同时渠底中心所受压力水头值Fig.15 Pressure head values at the centre of the canal bottom for different pumping levels in the wells at 25 m spacing

为了反映井内控制水位对水头和扬压力的影响，井内控制水位取15～17 m，每隔0.2 m 取一个点进行模拟，图16 是左、右岸边界水位分别取23、25 m，井间距为25 m 时井内控制水位与渠底中心所受压力水头值之间的关系图。从模拟结果可以看出，井内控制水位越高，则渠底所受压力水头越大，但当抽水高程大于等于16.4 m 时，由于井内控制水位偏高，所以抽水量对水头的影响较小，排水减压效果主要由排水暗管决定，当井内控制水位大于16.8 m 时渠底衬砌会发生破坏；当井内控制水位小于16.4 m 时，排水减压效果主要受抽水功率影响，抽水井内高程与水头成正比。

图16 井内控制水位不同时渠底中心所受压力水头值Fig.16 Pressure head values at the centre of the canal bottom at different control water levels in the well

4.3.2 井间距对水头和扬压力的影响

取左岸定水头23 m，右岸定水头25 m。考虑两个排水井的影响范围为79 m，排水井间距取25、30、35 m，保持井内水位为16.5 m进行分析，由于渠底中心所受扬压力及总水头最大，故将渠底中心总水头值的计算结果统计于图17中。

图17 排水井间距不同时渠底中心所受水头值Fig.17 Head values at the centre of the canal bottom for different spacing of drainage wells

从计算结果来看，由于单位长度的渗透量一定，排水井的间距越小，则每个井所分担的渗水量越小，抽水效果越好，表现为渠底中心所受最大压力水头值越小，所受扬压力越小。对于本段研究区域，由于底板以下没有相对不透水的黏土层，所以排水井间距变化对渠底中心所受最大总水头值的影响较小。

5 排水方案比选

当排水管直径为10 mm，左、右岸边界水位取23、25 m，井间距取25、30、35 m，井内控制水位取16.5、17、17.5 m，将不同工况下渠道两侧及渠底中心沿z轴方向所受最大压力水头值汇总于表5，结果表明当排水井间距为35 m、井内排水高程为16.5～17.5 m时，坡脚虽能满足渠道衬砌的抗浮稳定性要求，但渠底中心所受压力水头始终无法满足要求，若要满足排水需求则需要配备更大的抽水设备才能满足，故排除。当井间距为25 m 与30 m 时，井间距对排水减压的效果不显著，调整井内抽水高程均可使渠底所受最大压力水头小于零，故选取井间距30 m，井内控制水位16.5 m的方案最为经济合理。

表5 渠底中心所受最大水头值汇总Tab.5 Summary of maximum head values at the centre of the channel bottom

4 结 论

通过设置不同工况，采用三维数值模拟的方法对仅设置纵向排水暗管、仅设置减压井以及纵向排水暗管与减压井相结合等方案进行了渠道及边坡的排水减压数值模拟研究，得出结论如下。

（1）渠底两侧仅设置纵向排水暗管时，渠底所受水压及压力水头最大且在渠底中心达到极大值，渠底所受总水头值和水压随渠道两侧水头的升高而升高，当水头超过24 m 时，纵向排水暗管无法满足渠道衬砌的抗浮稳定性要求。

（2）渠道两侧仅设置排水井时，在渠道二级马道上使用井点排水降低地下水位的效果优于在渠道一级马道设置排水井。

（3）采用排水暗管与井排相结合的方案时，排水井间距对排水减压影响较小，井内控制水位对排水减压影响较大。当井内控制水位相同时，排水井布置越密，每个井所分担的渗水量越小，排水减压效果越好。当排水井间距固定时，抬高井内水位会导致渠底所受压力及压力水头明显增加。井内水位低于16.4 m时，渠底中心最大总水头与井内抽水水位成正比，井内水位高于16.4 m 时，井内水位对渠底中心总水头值的影响较小。井内水位越高，总水头沿渠道纵向的分布曲线越接近于仅设置纵向排水暗管时的工况，说明此时排水井作用较小，排水效果主要取决于纵向排水暗管。

（4）通过对比分析，综合考虑各方案的减压效果和经济实用性等，拟选用排水井间距为30 m，井内抽水高程为16.5 m 的方案，配合减压井使用的离心泵的工作功率选用3 kW 及以上，可以满足工程需求。