干旱區(qū)長距離輸水渠道防滲措施分析

謝曉勇，侍克斌

(1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 工程概況

占我國1/6國土面積的新疆地處西北干旱區(qū)，該地區(qū)的年降雨量不足200mm，年蒸發(fā)量卻在1000～3000mm，荒漠化嚴重、水資源短缺嚴重制約了農業(yè)和經濟發(fā)展，修建調水工程成為解決區(qū)域性缺水問題的首選。長距離輸水渠道作為大型調水工程最常見的建筑物，應用十分廣泛，但其缺點亦不可忽視，由于輸水渠道距離長，內陸干旱區(qū)蒸發(fā)強烈，輸水過程中水量損失比較嚴重，個別滲流嚴重的無襯砌渠道的渠道水利用系數(shù)僅有60%～70%[1- 3]。對渠道采取有效的防滲措施，當前常見的防滲措施有土料防滲、剛性材料防滲、膜料防滲和組合防滲等[4- 6]。土工膜的防滲性能好，適應變形能力強，適用于各種地區(qū)，是一種很好的防滲材料。

某大型輸水工程總干渠為大(2)型II等工程，全長133.646km，渠道斷面型式主要是梯形斷面，為窄深式結構，設計流量78m3/s，加大流量95m3/s，渠深5.6m，底寬4m，邊坡系數(shù)1∶2，縱坡1/10000～1/12500，采用全斷面土工膜、預制混凝土板襯砌防滲，典型斷面如圖1所示。工程所在地屬寒溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫3.4℃，最高氣溫40.6℃，最低氣溫-41.7℃，多年平均降雨量112.7mm，多年蒸發(fā)量1844.4mm[7]。

工程自2000年通水以來，已為北疆地區(qū)的經濟繁榮和發(fā)展注入了強大活力，集工業(yè)、農業(yè)、城市飲用水于一體，經濟效益、民生效益、生態(tài)效益顯著。多年來，該總干渠經歷了全斷面填筑料換填、多次襯砌維修，如今該渠道的輸水效率尚未有定性分析，為此，本文利用有限元方法計算渠道滲流量，估算渠道總蒸發(fā)量，得出不同流量時的渠道水利用系數(shù)，并與實測數(shù)據(jù)相互對比印證，從而分析總干渠土工膜的節(jié)水效果。

圖1 渠道典型斷面圖(單位：mm)

2 計算原理

渠道輸水損失包括滲流損失、漏水損失、蒸發(fā)損失三部分[8]，其中漏水損失是在渠道施工和管理中應該避免的，可以忽略不計，因為干旱區(qū)蒸發(fā)強度高、長距離輸水渠道蒸發(fā)面積大，故蒸發(fā)損失不容忽視，滲流損失是渠道輸水過程中的主要損失，因此可用渠道的蒸發(fā)損失與滲流損失之和代表渠道總輸水損失。

2.1 滲流計算方程

穩(wěn)定滲流微分方程的一般表達式[9]：

(1)

將滲流基本微分方程式(1)與定解條件相結合即可確定滲流的數(shù)學模型。滲流計算過程中控制方程常用的定解條件有：

第一類邊界條件(水頭邊界條件或Dirichlet條件)：

h(x，y，z)=h0(x，y，z，t)|(x，y，z∈Γ1)

(2)

式中，h0(x，y，z)—已知水頭函數(shù)；Γ1—已知水頭邊界，x，y，z位于Γ1上。

第二類邊界條件(流量邊界條件或Neumann條件)：

-kiihini=q0(x，y，z，t)|(x，y，z∈Γ2)

(3)

式中，q0(x，y，z)—已知流量函數(shù)；Γ2—具有給定流量的邊界，x，y，z位于Γ2上；ni—Γ2的外法線方向。

2.2 穩(wěn)定滲流分析在ABAQUS中的實現(xiàn)及建立模型

多孔介質分析中的關鍵問題是確定自由面(浸潤面)的位置和逸出點。目前，求解自由面的方法包括變網格迭代法和固定網格迭代法[10]。變網格迭代法要確定每次迭代中的自由面，并根據(jù)自由面的位置重新調整網格，但在計算的過程中，每次迭代都要改變滲流場的范圍并且重新劃分網格，有時假定的滲流自由面與實際會相差過大，計算無法進行下去。ABAQUS求解時，根據(jù)非飽和土力學理論，采用固定網格迭代法，將計算的滲流區(qū)域Ω擴展到整個計算斷面，只需要確定滲流逸出點的位置并將自由表面設置為零孔隙壓力邊界，迭代計算修正逸出點的位置即可，滲流自由面的位置可以通過節(jié)點處的孔隙壓力插值來獲得。

該總干渠2006年以來進行了渠道全段面換填，由于換填時各渠段所用的料場不同，換填料的滲透系數(shù)也不相同，因此將總干渠劃分為：樁號0+000～52+700、52+700～80+560、80+560～133+646三段。取樁號31+346、60+536、92+800處的渠道橫剖面(分別代表上述3段渠道)作為模型計算斷面，3段渠道的換填料分別用換填料1、換填料2、換填料3表示，為方便計算，把斷面作簡化處理，材料劃分為三個部分如圖2所示，各區(qū)域滲透系數(shù)見表1。

圖2 材料分區(qū)示意圖

材料分區(qū)滲透系數(shù)k/(cm·s-1)土工膜8.45×10-9換填料11.44×10-3換填料21.14×10-5換填料32.10×10-3原地面8.64×10-4

模型計算時，共劃分1750個節(jié)點，1677個實體單元(單元類型為平面孔隙壓力單元)，有限元網格如圖3所示。定義約束及荷載時，不考慮模型的變形，對模型進行x、y方向的全約束，施加重力荷載及水壓力，將土工膜與換填料的接觸面、換填料與原地面的接觸面及右側邊界設置為透水邊界。

圖3 有限元網格劃分

2.3 蒸發(fā)量估算

在渠道運行期間，蒸發(fā)量與蒸發(fā)強度、水面面積和水流時間等因素有關，并可表示為：

E0=ε0FT

(4)

式中，ε0—水面蒸發(fā)強度；F—水面面積；T—水流時間。使用該式計算水面蒸發(fā)量E0時，ε0可用當?shù)卦谶\行時段內的水面蒸發(fā)強度代替，T取1d。

2.4 渠道水利用系數(shù)

渠道水利用系數(shù)為某一渠道的凈流量(凈水量)與渠首毛流量(毛水量)的比值。影響渠道水利用系數(shù)的因素有：渠床土質、渠道斷面、襯砌形式、工作制度、渠道流量等，在其它因素已給定時，可計算渠首日平均水量與每日輸水損失水量之差，即渠道日凈水量，日凈水量與渠首日平均水量的比值為渠道水利用系數(shù)。

渠道水量平衡方程為：

ΔQ=E0+q0

(5)

式中，ΔQ—輸水損失的水量；E0—蒸發(fā)水量，由(4)式計算得到；q0—滲流水量，由模型計算得到。

渠道水利用系數(shù)：

η=(Qu-ΔQ)/Qu

(6)

式中，Qu—渠首日平均放水量，可在渠道運行日志查得。

由(5)、(6)兩式可知渠道水利用系數(shù)η=(Qu-E0-q0)/Qu。

3 結果分析

3.1 防滲效果

樁號92+800處斷面模型計算(流量53.63m3/s)得到的孔隙壓力云圖如圖4所示，由圖4可以看出，灰色區(qū)域的孔隙壓力為負值，意味著該區(qū)域是非飽和的[11]，而孔隙壓力為零的邊界即為浸潤面；滲流速度云圖如圖5所示，從圖5中可以看到入滲點和逸出點滲流速度較大。模型計算所得云圖中反映的浸潤面位置和滲流速度分布基本符合非飽和滲流在土體中的滲流規(guī)律。

圖4 孔隙壓力云圖(單位：kg/m2)

圖5 滲流速度云圖(單位：m/s)

在不同流量下，由(4)式計算得到蒸發(fā)量E0，模型計算分別得出各段渠道的單位長度滲流量q，由q推算得出日平均總滲流量q0，再由(6)式計算得出渠道水利用系數(shù)。

該總干渠在渠首尾兩側布設有流量計，可觀測得到日平均流量，由渠尾與渠首日平均流量的比值能估算得到渠道水利用系數(shù)的實測值。渠道水利用系數(shù)的計算結果見表2。

表2 渠道水利用系數(shù)計算表

由表2的計算結果可知：

(1)蒸發(fā)量與流量成正比，而滲流量與流量成反比，由于蒸發(fā)量占總損失水量的比例較小，因而流量越大時，總損失水量越少，渠道水利用系數(shù)越高。

(2)實測渠道水利用系數(shù)小于計算值，主要原因是施工及運行的過程中土工膜產生局部破壞，致使渠道在實際運行中產生漏水損失。

(3)正常運行期間，該渠道的渠道水利用系數(shù)為90%～97%，表明盡管渠道輸水距離長，且已運行多年，經過全斷面土工膜及預制混凝土板襯砌防滲后，該總干渠的輸水利用率仍然很高，能夠滿足經濟效益和供水保證率的要求，說明土工膜對于渠道防滲起到了關鍵作用。

3.2 技術經濟比較

與常見的幾種防滲材料的技術經濟比較見表3。 通過上表對比分析，對于長距離輸水渠道，使用土工膜作為防滲材料，既能夠保證渠道對防滲、適應變形能力的要求，同時也能減少投資，是一種比較理想的防滲材料。

表3 防滲材料技術經濟比較

4 結論

在內陸干旱區(qū)，輸水渠道達到133km，輸水損失是不可忽視的工程問題，經過研究分析，主要得出以下結論：

(1)渠道輸水損失主要是蒸發(fā)和滲流，蒸發(fā)損失與流量大小成正比，滲流損失與流量成反比，由于滲流損失所占比例更大，因此流量增大時總輸水損失減小，渠道水利用系數(shù)更高。

(2)常用的渠道防滲方式有土料防滲、剛性材料防滲、膜料防滲和組合防滲等。在正常運行期間，總干渠的渠道水利用系數(shù)為90%～97%，經過對比，土工膜能夠在保證防滲效果的前提下，減少投資，適用于長距離輸水渠道。

通過理論研究、工程運行和實測資料的反饋分析，采取的土工膜防滲措施是有效可靠的，可供同類工程借鑒。