高地下水位渠道渗漏特性有限元分析

闫 科

(新疆伊犁河水利水电投资开发(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

随着我国经济的迅速发展，各地区人民用水量也持续增大，其中灌区用水占总用水量比例最高。而渠道作为灌溉输水的主要手段，已被大面积采用。但已建渠道的老化以及各类新型引水工程的修建，渠道灌溉过程中渗漏问题越来越突出。针对渠道衬砌工程问题，已有很多学者[1-2]通过数值模拟法、室内试验法、解析法等不同手段开展了一系列的研究，并取得了丰硕的科研成果。邓铭等[4]等以北疆某引水渠道工程为研究对象，通过有限元软件建立数值模型，分析了竖向排水井对渠道稳定性的影响。张帅等[4]基于某高地下水位渠段工程，利用数值手段分析了渠道衬砌结构的稳定性。系统探讨了垫层厚度、渗透系数、排水管间距等因素的影响规律。刘焕芳等[5]基于泥沙运动力学理论，建立室内模型试验，分析了明渠水沙对渠道产水量的影。深入研究了不同水深、床面冲淤变化等参数的影响。李甲林等[6]以某高地下水位渠道为研究对象，分析了渠道滑坡破坏成因机制，创新性的提出了滤头式衬砌结构的衬护效果。基于此，以新疆地区某灌区渠道工程为研究对象，通过有限元软件建立渠道模型，分析了高地下水位下灌区渠道渗漏量的影响，并探讨了不同因素的影响规律。

1 工程概况

本文以某灌区渠道工程为研究对象。该地区气候寒冷干旱、多风且少雨。该区引水坝控制集雨面积为2100km2，坝址以上20km处建有水库，水库控制集雨面积为1650km2，总库容2.3亿m3，为下游引水坝提供了稳定可靠的水源。引水坝的引水量可达5.6亿m3，其中有效引水可达3.2亿m3，用于灌溉水量1.8亿m3。灌区涉及多个县城，灌溉面积达到102.3万亩。该灌溉渠道历经多年，渠道深约为3.5m，底部宽度约为20m，坡度比为1∶1.75。

2 有限元模型

依照实际工况，建立渠道深3.5m，底部宽20m，坡度比为1∶1.75的模型，如图1所示。模型总图尺寸200m(宽)×50m(高)，对模型进行网格划分，共计23655个单位，27985个节点。模型边界条件：模型底部设为不透水边界，模型表面设为透水边界，两侧设为原始地下水位。

图1 整体模型图

模型分成三层土层，表1给出了土体物理力学参数。

表1 土体物理力学参数

3 影响因素分析

3.1 渠道水位深度的影响

为研究渠道水位深度对渠道渗漏量的影响，建立6种不同渠道水位模型(渠道水位分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m)，控制地下水位不变。并对比浅层地下水位(-0.5m)和深层地下水位(-40m)2种工况。根据计算结果，将不同工况渗漏量的计算结果见表2。

表2 不同水位工况渗漏量

从表2中可以看出，当地下水位较浅(-0.5m)时，渠道水位为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m时，对应的渗漏量分别为7.42×10-6、1.15×10-5、1.58×10-5、2.04×10-5、2.51×10-5、2.92×10-5m3/s；当地下水位较浅(-45m)时，渠道水位为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m时，对应的渗漏量分别为3.86×10-4、3.96×10-4、4.06×10-4、4.18×10-4、4.23×10-4、4.29×10-4m3/s，可见深地下水位下渠道渗漏量与渠道水位近似线性增长。

如图2所示，对于浅地下水位条件下，渠道水位从0.5m提升至3.0m，即内外水头差从1m提升至3.5m，增加了2.5倍，渗漏量对应的增加了约2.9倍，可见浅地下水位下渠道渗漏量与渠道水位近似线性增长，且渗漏量的增长幅度与内外水头差增长幅度接近。对于深地下水位条件下，渠道水位从0.5m提升至3.0m，即内外水头差从45.5m提升至48.5m，增加了0.07倍，渗漏量对应的增加了约1.1倍。深地下水位时，渗漏量与渠道水位呈非线性增长，渠道水位越大，渗漏量增长幅度越低。这是因为当为浅地下水位工况时，水位接近渠道底部，水位变化对渠道渗透坡降有显著影响，从而对渗漏量也有显著影响；当为深地下水位工况时，渠道水位变化远小于地下水位埋深，平均水力坡降接近1，因而水位变化对渠道渗透坡降影响有限，此时过流面积增大是引起渗流量变化的主要原因。对比深浅地下水位2种工况可知，深地下水位工况下渗漏量增长幅度远小于浅地下水位工，即随着地下水位降低，渠道水位变化对渗漏量有限逐渐削弱。

图2 不同水位工况渗漏量

3.2 地下水位深度的影响

为研究地下水位对渠道渗漏量的影响，控制渠到水位不变。主要研究非灌溉期(渠道水位0m)和灌溉期(渠道水位2.5m)两种工况。具体的，非灌溉期(渠道水位0m)建立6种不同地下水位：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m；灌溉期(渠道水位2.5m)建立10种不同地下水位：0、-5、-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40、-45m。

如图3所示，非灌溉期渠道未衬砌时，渠道地基土水利坡降横向变化曲线。从图中可以看出，非灌溉期工况下，渠道水位为0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m时，对应的水力坡降峰值分别为0.066、0.136、0.204、0.273、0.344、0.415。进一步观察可知，非灌溉期渠道未衬砌时，水力坡降峰值发生在渠道坡脚位置，即该位置最可能发生流土破坏。渠道水力坡降峰值随着地下水位的增加基本呈线性增长，当地下水位达到某一高度时，水力坡降峰值大于允许水水力坡降，从而导致渠道发生流土破坏。

图3 渠道地基土水利坡降横向变化曲线

如图4所示，非灌溉期和灌溉期，渗漏量随地下水位变化曲线。从图4(a)中可以看出，非灌溉期渗漏量随地下水位呈线性增长，当地下水位从0.5m增大到3.0m时(即地下水位增大了5倍)，对应的渗漏量也增大了5倍，渗漏量的增加幅度与地下水位增长幅度几乎一样。从图4(b)中可以看出，灌溉期渗漏量随地下水位总体呈非线性增长。当地下水位较浅时，渗漏量随地下水位呈线性增长，且渗漏量的增加幅度与地下水位增长幅度也基本一样；当地下水位较深时，随地下水位的增大，渗漏量的增长幅度逐渐减小，最终渗漏量趋于稳定。这是因为浅地下水位时，渠道渗透坡降受渠道水位变化影响较大，从而渗漏量变化也显著；深地下水位时，渠道地基土渗透坡降约等于1，地下水位和渠道水位对渗透坡降都影响有限，进而对渗漏量影响有限。

图4 渗漏量随地下水位变化曲线

3.3 渠道衬砌形式的影响

为研究渠道衬砌形式对渗漏量的影响，本节建立5种不同衬砌形式，并对比了非灌溉期和灌溉期工况。具体工况见表3。

表3 不同衬砌形式工况

不同衬砌形式下非灌溉期与灌溉期渗漏量结果见表4。从表中可以看出，相对于不衬砌形式，当渠道采用全衬砌形式时，非灌溉期与灌溉期渠道的渗漏量都很小，可近似认为不渗漏。当渠道采用局部衬砌形式时，不论透固体布置在何位置，其渗漏量与不衬砌形式下的渗漏量在一个量级。当透固体布置在渠道底部时，非灌溉期与灌溉期渠道的渗漏量均最大；当透固体布置在渠道中部时，非灌溉期与灌溉期渠道的渗漏量均最小。对比不同地下水位工况，不论哪种衬砌形式，地下水位为-0.5m时的渗漏量最大，这是因为水头差最大。

表4 不同衬砌形式计算结果

根据表4结果，计算灌溉期衬砌节水率(衬砌节水率=衬砌前后渗漏量差值/未衬砌时渗漏量)，见表5。从表中可以看出，渠道底部透固体衬砌工况下节水率最小，渠道中部透固体衬砌工况下节水率最大。但灌溉期不论透固体布置在何处，衬砌节水率相较于全衬砌结构均很小，全衬砌结构的节水率达到100%，节水效果很好。

表5 灌溉期衬砌节水率计算结果

进一步根据孔隙水压力沿Y轴变化规律，求出非灌溉期渠道浸润线所对应的高程(道浸润线所对应的高程即为孔隙水压力为0时所对应的Y轴坐标值)。对于不衬砌渠道，最大浸润线高度下降0.485m；对于全衬砌渠道，最大浸润线高度仅下降0.001m，可见浸润线基本没下降，此时地下水位较高时会形成扬压力作用于衬砌结构，尤其寒冷季节渠道会发生冻胀破坏，从而降低渠道稳定性。对于局部衬砌结构，渠道中部透固体衬砌时的最大浸润线高度下降最大。

4 结论

依托新疆地区目某灌溉渠道工程，通过有限元分析法研究了渠道水位深度、地下水位深度及衬砌形式对渠道渗漏量的影响规律。主要得到以下结论：

(1)浅地下水位下渠道渗漏量与渠道水位近似线性增长，且渗漏量的增长幅度与内外水头差增长幅度接近；深地下水位渗漏量与渠道水位呈非线性增长，渠道水位越大，渗漏量增长幅度越低。

(2)非灌溉期渠道未衬砌时，水力坡降峰值发生在渠道坡脚位置，即该位置最可能发生流土破坏。渠道水力坡降峰值随着地下水位的增加基本呈线性增长，当地下水位达到某一高度时，水力坡降峰值大于允许水水力坡降，从而导致渠道发生流土破坏。

(3)当渠道地下水位大于渠段底部时，渠道底部透固体衬砌形式最适宜；当渠道地下水位小于渠段底部时，可采用全衬砌结构形式，渗漏量极低，节水率最高。