高寒地区供水渠道水热特征及其长期演化规律

邢 玮,朱 锐,2,3,张 晨,王 羿,周 峰

(1.南京工业大学 交通运输工程学院, 江苏 南京 211800;2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038;3.陆军工程大学 土木工程博士后科研流动站,江苏 南京 210007;4.南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏 南京 210024)

长距离调水工程是实现国家水资源优化配置的重大战略举措[1-2],基于此,国家相继修建了一批长距离调水工程,如南水北调东线工程、南水北调中线工程等,由此显著促进了沿线城镇的工农产业现代化发展。输水渠道则是长距离调水工程的主要建筑物。目前,我国投入运行的各类输水渠道总长度约为450万km,而渠系水利用系数仅为50%左右[3],也就是将近一半的水损失于输送过程中,造成了我国长距离调水工程中水资源浪费严重的现象。

水-热耦合作用是现场供水渠道劣化失稳的重要因素。在此背景下,诸多学者开展了相应研究,取得了一系列研究成果[4-6]。典型如:文献[7-10]中分别开展了考虑热湿变形耦合、昼夜温度变化和太阳能辐射的混凝土衬砌渠道冻胀变形数值模拟研究,计算结果与现场实测数据基本一致;郝晋彩等[11]以黑龙江蛤蟆通灌区总干渠为研究对象,分析了不同保温措施、边坡系数对梯形衬砌渠道冻胀变形的影响,为我国北方地区梯形渠道的建设及维护提供依据;刘旭东等[12]选取“适变断面”渠道和山东省某弧形坡脚渠道为研究对象,对比分析了2种不同形式渠道的温度场、应力场和变形情况,发现“适变断面”渠道具有较强的抗冻胀性能;闫长城等[13]通过数值模拟的手段探索了玻璃钢防渗技术用于渠道防灾方面的可行性,认为玻璃钢材料的抗冻胀性能优于普通混凝土材料。上述研究在一定程度上揭示了季冻区渠道边坡的孕灾机制,但更多关注温度和冻胀量之间的相互变化,针对实际工程现场水热特征以及渠道边坡温湿度场演化规律的研究则鲜见报道。

鉴于此,以北疆典型供水渠道为研究对象,依据建立的渠道典型断面监测结果,系统分析供水渠道的温度场和渗流场特征;在此基础上,通过数值软件计算湿干冻融耦合循环下供水渠道的水热演化规律,探讨不同运行年份对渠道水热特性的影响,以期为高寒地区长距离调水工程建设及运维提供科学依据。

1 供水渠道概况

输水渠道位于新疆维吾尔自治区北部阿勒泰地区,如图1所示。该地区地处欧亚大陆腹地,是丝绸之路经济带北通道和新疆参与中蒙俄经济走廊建设的重要节点。同时,阿勒泰地区的纬度较高(45°00′00″—49°10′45″),属典型的温带大陆性寒冷气候,其特点是夏季干热(极端高温40 ℃以上),冬季严寒(极端低温-50 ℃以下),平原地区降水量少、蒸发量大[14-15]。

图1 输水渠道现场情况Fig.1 On-site situation of canals

北疆供水渠道是兼顾沿线工业、农牧业和生态用水的跨流域调水工程。渠道设计高度为5 m,坡比为1∶2,以挖方和半挖半填为主。渠道投入运行至今约20年,每年春季供水、秋季停水。渠道沿线每年均会发生不同程度的劣化问题,造成每年实际供水时间相比于设计供水时间缩短了约30%,严重影响了渠道的正常运行。截至2017年底,北疆供水渠道总干渠累计滑坡约28.5 km。对此,渠道建管单位采取换填、改扩建、铺设防渗膜等方式进行治理,同时将部分渠道加高至7.5 m,上述措施在一定程度上提升了渠道供水能力、降低了灾变发生的频率,特别是治理后的1～2年内渠道灾变次数得到了有效的控制,但劣化致灾问题并未得到根治,运行一定时间后供水渠道仍不断出现新的灾变,其根本原因在于现场复杂的水热耦合作用[16]。

2 监测布置与监测结果

2.1 监测系统布置

为进一步了解现场渠道的渗流特征和温度特征,从而探究高寒区季节性供水渠道的劣化致灾机制,笔者课题组在渠道典型断面(19+160)埋设了兼具测温功能的渗压计,用于监测渠基土中孔隙水压力和温度的变化情况。所选择的断面日照条件充足,附近的集水井设有220 V交流电,通用分组无线业务(GPRS)传输信号较强,具备实施自动化监测的基础。

所采用的渗压计为VWP型振弦式渗压计。VWP型振弦式渗压计为全不锈钢结构,适用于长期埋设在水工结构物及基土内部,在量测结构物或土体内部孔隙(渗透)水压力的同时,也可同步反映埋设点的温度。渗压计的主要技术指标如表1所示,测点布置如图2所示。

表1 渗压计主要技术参数

图2 传感器布置(mm)Fig.2 Sensor arrangement (mm)

渗压计的埋设工作主要包括钻孔和渗压计投放。钻孔自渠顶往渠底进行,孔径为110 mm,渠坡钻孔采用搭设钻孔平台的方式;渗压计的投放步骤依次为传感器浸泡排气、安装套管、初始读数记录、回填中砂(基于孔径换算中砂用量)、投放传感器、二次回填中砂、膨润土球封孔(膨润土高度大于1 m)、注水并回填。渗压计埋设完毕后连接至MCU模块,所采集的信号通过移动GPRS通信信号传输至服务器中,再由计算机客户端提取数据,以实现远程自动化监测。在渗压计埋设过程中,保持埋置深度在2 m以上,以避免基土的浅层冻结。传感器埋设及MCU模块安装过程如图3所示。

图3 传感器埋设及MCU模块安装过程Fig.3 Installation process of sensor and MCU module

2.2 监测结果与分析

2.2.1 温度特征

图4为渠基土温度随时间的变化曲线,橘色实线为监测断面渠道表面温度。由图4可以看出:渠基土温度随着现场环境温度的改变而产生显著变化。在2017年11月7日至2018年11月7日期间,渠道表面温度骤降时,所有测点处的基土温度均随之下降,下降速率由于埋设深度及位置差异而不等。在2017年12月7日至2018年4月7日期间,渠道表面温度均低于0 ℃,渠基土温度因而进一步地降低。测点1#处的传感器温度读数自2018年2月7日起已低于0 ℃,最低达到-1.11 ℃,表明监测断面处渠底基土在2018年的最大冻结深度达到1.5 m以上。在2018年4月7日至2018年4月30日期间,渠道现场环境温度回升显著,但此时渠基土温度仍处于缓慢回升阶段,温度变化幅度较小。在2018年5月1日至2018年8月7日期间,渠道现场环境温度上升速率开始逐渐变缓,渠基土的温度则显著上升。这主要是由于2018年5月1日渠道开始通水,渠道内水位逐渐上升导致部分渠水渗漏进入基土中,水分的入渗使得渠基土的温度变化速率增大。从测点处传感器读数响应来看,距离渠道衬砌表面较近的测点1#、2#、5#处温度均大幅增长,表明渠水入渗深度在2.5 m以上。在2018年8月7日至2018年11月7日期间,渠道现场环境温度逐渐下降,温度平均下降速率达到0.3 ℃/d,渠基土的温度变化一开始并不显著,从2018年9月中旬开始下降。这主要是由于渠道渗漏造成渠道浅层基土处于饱和或接近饱和状态,水的比热较大,故渠基土温度一开始并未随现场环境温度的下降而降低。当渠道于2018年9月14日停水后,渠基土的含水率逐渐降低,渠基土的温度随之开始下降。值得注意的是,测点1#处的传感器温度读数于9月中旬陡降,表明渠道浅层基土已处于非饱和状态。

图4 渠基土的温度特征Fig.4 Temperature characteristics of canal foundation soil

基于监测数据可知,渠基土在一年内经历了显著的降温、升温过程,浅层基土更是达到了负温,经历了冻结过程和融化过程。一些较深测点处的传感器温度读数虽未显著低于0 ℃,但在浅层土体冻结过程中也产生了水分的迁移。可以认为渠基土随着现场环境的变化每年经历着往复的冻融循环过程。

2.2.2 渗流特征

图5为渠基土中的孔隙水压力随时间的变化曲线,监测期间渠道经历了一次通、停水过程。由图5可以看出:渠基土中的孔隙水压力随着渠道内水位的升降而变化。在2017年11月7日至2018年2月7日期间,渠道处于停水期,渠基土中的孔隙水压力仍呈下降的趋势,可以认为渠基土处于非饱和状态。在2018年2月7日至2018年4月30日期间,虽然渠道仍然处于停水期,渠基土中的孔隙水压力却产生了一定的增长。这主要是因为现场环境温度较低,渠道浅层基土逐渐冻结,造成了渠基土产生了冻胀变形,进而导致土体中的孔隙水压力略微增加。渠道于2018年5月1日开始通水,渠基土中的孔隙水压力因此急剧上升,直至2018年5月10日左右渠道内水位不再上升,渠基土中的孔隙水压力随之逐渐稳定。将各测点处的传感器读数与对应的静水压力计算值进行对比,均较为相符,表明以上测点处的渠基土均已达到饱和或接近饱和状态。渠道于2018年9月14日开始停水,停水过程持续了约15 d,可以看出渠基土中的孔隙水压力随着水位的降低而显著下降,但此时渠基土中的孔隙水压力仍近似等于相应位置的静水压力计算值,故仍可认为渠基土是接近饱和状态。在2018年9月30日至2018年11月7日期间,渠道已处于停水期,渠道受现场风力干燥的影响,渠基土中的含水率逐渐降低,导致孔隙水压力逐渐消散,渠基土逐渐由接近饱和状态转变为非饱和状态。

图5 渠基土的渗流特征Fig.5 Seepage characteristics of canal foundation soil

基于监测数据可知,由于渠道季节性运行的特点,渠基土中的孔隙水压力在一年内经历了显著的升降过程。当渠道运行(供水期)时,渠基土中的孔隙水压力明显增大,此时可以认为渠基土由非饱和状态变为饱和或接近饱和状态;当渠道未运行(停水期)时,渠基土中的孔隙水压力则显著降低,此时可以认为渠基土由饱和或接近饱和状态逐渐变为非饱和状态。饱和-非饱和渠基土的转换可以认为是基土含水率的变化,造成渠基土随着渠道每年的通、停水过程经历着往复的干湿循环过程。

2.2.3 湿干冻融耦合循环的划分

基于现场调研和监测分析,渠基土每年随着现场环境温度的变化经历往复的冻融循环过程,同时随着渠道的通、停水过程经历往复的干湿循环过程。考虑到渠道现场非单一的封闭系统,而是复杂的多物理场耦合系统,干湿交替、冻融循环的耦合作用造成了渠道的灾变。基于渠道现场的这种耦合作用较为复杂,实际研究过程中难以完全模拟,需要对这种复杂环境场进行简化。

图6为渠道沿线某气象站观测到的多年地表温度分布。由图6可知:以2014年4月25日至2015年4月25日为例,2014年4月25日至2014年9月14日为渠道通水期,由于渠道渗漏,渠基土处于湿润过程;2014年9月14日渠道进入停水期,由于无外界水源补给,且地表温度始终高于0 ℃(2014年9月14日至2014年11月11日),可以认为期间渠基土经历了干燥过程;地表温度于2014年11月11日完全降至0 ℃以下,一般认为水的固液相变温度为0 ℃,故可以认为渠基土开始了冻结过程;地表温度于2015年3月21日升至0 ℃以上,此时渠道仍处于停水期,可以认为渠基土开始了融化过程。

图6 湿干冻融的划分Fig.6 Division of wetting-drying-freezing-thawing

综上所述,渠基土多年来所经历的温湿度变化过程可简化为湿润过程、干燥过程、冻结过程、融化过程的循环,简称为湿干冻融耦合循环。自渠道投入运行至今,渠基土经历上述往复的湿干冻融过程后产生劣化,导致土渠道边坡的灾变。

3 试验结果

现场渠道周围环境的作用造成了渠基土内部温度场和水分场的变化,由此常引起多孔介质(渠基土)结构变形和塑性破坏等,最终造成渠基膨胀土力学性能的损伤。在渠道冻胀过程中,渠基土发生变形并作用于渠道衬砌结构上,引起衬砌结构隆起和断裂等行为;在渠道融沉过程中,渠基土发生塑性破坏,进而使得衬砌结构产生滑塌等行为。一系列渠道灾变行为是诸多因素交互作用、逐步累积的结果。鉴于此,基于冻土温度传导模型、水分迁移模型以及水-热耦合联系方程,建立了考虑水-热耦合的供水渠道计算模型。

3.1 计算模型

渠道是线性工程,可以作为二维平面应力问题来研究。渠道横断面关于渠底中心是对称的,即选取渠道剖面的一半进行建模,将渠底中心作为几何原点(0,0),计算模型整体长(x)为37.5 m,高(y)为15 m。其中渠道高度为5 m,坡比为1∶2,水位高度为4 m。在此基础上,对建立的几何模型进行材料分区和网格划分,即渠基土采用实体单元、以四边形映射方式创建网格,共构建9 300个域单元和430个边界元,最大单元大小不超过0.25 m,网格划分情况如图7(a)所示。

图7 网格划分及模型边界Fig.7 Mesh generation and model size

在数值模拟过程中,所涉及的主要边界条件为温度场和水分场的周期性变化。依据现场渠道实际运行情况与监测数据,以1年(假定为360 d)为单个湿干冻融循环周期,设置边界条件:① 将开始供水作为周期的起点,水位从起点开始线性升高,经过8 d上升到最高水位,根据渠道实际运行情况,最高水位设为4 m;② 从第8天运行至第130天,水位都维持在最高水位;③ 从第130天至第140天,水位从最高水位4 m降低到0 m;④温度从起点开始为10 ℃,到第60天达到最高温度30 ℃,第195天下降到0 ℃,第255天下降到最低温度-30 ℃,随后于第325天回升至0 ℃,最终在第360天回升至10 ℃。在湿干冻融循环过程中,水分场和温度场周期性变化的主要时间节点如表2所示。

表2 温湿度场周期性变化的主要时间节点

图7(b)为模型边界示意图。在水分边界方面,由于渠道为对称结构,A到G设为对称边界,水分边界施加于E到F再到G上,A到B、B到C均设为透水边界,渗透系数依据土体实际饱和度和土-水特征曲线自动取相应数值;C到D、D到E则设为不透水边界。在温度边界方面,温度边界施加于C到D到E到F到G上,A到G同样设为对称边界;A到B、B到C则设为隔热边界。水-热耦合计算涉及渠基土基本参数,基本参数取值参考文献[17-18],部分力学性能参数依据室内试验测定,如表3所示。

表3 渠基土基本计算参数

3.2 计算结果

3.2.1 温度特征

温度场的变化是湿干冻融循环下渠道灾变的重要原因之一。因此,分别在每年的湿润阶段(第90、450、810、1 270、1 530天)、干燥阶段(第180、540、900、1 360、1 620天)、冻结阶段(第270、630、990、1 450、1 710天)以及融化阶段(第360、720、1 080、1 440、1 800天)观察模型渠道温度场的变化过程,分别如图8和9所示。由图8和9可以看出:在湿润阶段,模型渠道的温度持续升高,浅层基土最高温度达到30 ℃;在干燥阶段,模型渠道的温度逐渐下降但仍高于0 ℃;在冻结阶段,模型渠道的温度自上而下开始降低,最低达到-25 ℃;在融化阶段,模型渠道的温度开始升高,除了自上而下的升温过程,由模型渠道深部土体自下而上的温度传导也是浅层基土融化的重要原因,这也导致了前文所述的模型渠道浅层基土双向融化现象。

图8 渠基土温度随运行时间的变化过程Fig.8 Process of canal foundation soil temperature variation with operation time

3.2.2 水分特征

为了更形象地展示模型渠道中水分入渗的情况,分别选取每年湿润阶段的前一天(第0、360、720、1 080、1 440天)以及恒定水位运行的最后一天(第130、490、850、1 210、1 570天)观察模型渠道的饱和区分布情况,分别如图10和11所示。由图10和11可以看出:在第1年运行过程中,湿润阶段渠水的入渗使得模型渠道浅层土体达到饱和状态,并形成了一个饱和区,饱和区的法向深度约为0.5～1.5 m。随后,渠道依次经历干燥阶段、冻结阶段和融化阶段,在这一过程中饱和区逐渐收缩,这一现象在渠坡处尤为明显。随着运行时间的延长,恒定水位运行时模型渠道饱和区逐渐增大并于运行第3年后趋于稳定,运行5年后模型渠道饱和区的法向深度为1.5～2.5 m。与离心模型试验结果[19]相比(图12),数值模型中的饱和区变化趋势与之相似,但饱和区的面积以及法向深度小于离心模型试验结果。对此,笔者认为数值计算过程中未考虑渠基土裂隙的发育对渠水入渗的影响。在现场渠道运行过程以及离心模型试验过程中,干湿交替、冻融循环的耦合作用使得渠基土内部裂隙发育程度较高,渠基土渗透性因此显著增长,故在离心模型试验中由渠水入渗形成的饱和区会大于数值计算所得结果。尽管如此,数值模型计算所得饱和区和离心模型试验所得饱和区在变化规律上较为相似,表明数值模型的计算参数选择和边界条件设置是合理的。

图10 渠道饱和区随运行时间的变化过程Fig.10 Process of soil saturation zone variation with operation time

图11 渠道典型测点(S1和S2)饱和度随运行时间的变化过程Fig.11 Process of soil saturation in S1 and S2 variation with operation time

图12 离心模型试验中模型渠道饱和区[19](mm)Fig.12 Saturation area of model canal in centrifugal model test[19] (mm)

4 结论

1)渠基土全年经历了显著的升降温过程,浅层基土更是经历了冻结过程和融化过程,同时伴随着通、停水过程的渠基土全年还经历了显著的饱和-非饱和状态转换,可以认为渠基土多年来经历了干湿交替、冻融循环的耦合作用。在此基础上,划分了湿干冻融耦合循环过程,简化了现场复杂环境场,便于在后续的研究中进行现场复杂环境的模拟。

2)在运行过程中,渠道的水分场、温度场发生显著变化,但这一变化在模型渠道运行3年后已趋于稳定。冻胀融沉问题是造成模型渠道变形的重要因素,而浅层基土饱和度的增长是造成这一现象的主要原因。因此,建议现场渠道在运行过程中应重点解决防渗排水问题,尤其是渠道底部和渠坡水位线以下区域。

3)本文的研究源自具体工程问题,其水热问题往往呈现湿干冻融耦合循环的特点,而处于高寒地区供水渠道工程问题往往复杂多变,导致数值计算结果距离精准预测供水渠道边坡内的温湿度变化过程仍有一定的距离。