高地下水位灌區渠道滲漏數值研究

隋保生，梁 偉

(聊城市水利局，山東 聊城 252000)

1 概述

我國是農業大國，灌溉用水是主要的農業用水，隨著時間推移，灌區渠道內滲漏問題越來越明顯，水資源的大量浪費對于本來就缺水的地方造成了很大影響，加大對灌區滲漏的研究意義重大。

受地下水影響的灌區渠道內襯砌的研究比較復雜[1]。楊紅娟[2]等對飽和-非飽和土壤內水的運動進行了試驗，分析了渠道發生滲漏時地下水的變化情況。劉持峰[3]對渠道內滲漏的水力特性進行了研究，并提出了對應公式。蔣娟[4]對寧夏地區灌區渠道襯砌的影響因素進行了匯總研究。薛禹群[5]對渠道內穩定滲漏現象進行研究，總結出非穩定運動時的運動公式。數值模擬在灌區渠道內也用廣泛的應用[6- 7]。Soneneshein[8]等人使用MODFLOW軟件建立的地下水模型對灌區河渠的滲漏量進行了研究。李睿冉[9]、毛曉敏[10]等人使用HYDRUS- 2D軟件對渠道內地下水在土壤中的變化進行數值分析。李梅婷[11]等使用AutoBANK程序對透固體襯砌渠道的滲漏量進行了分析研究，并提出襯砌的設計要根據當地的地質土壤和氣候條件。

本文在前人研究的基礎上，針對所選灌區內地質條件使用Geo-studio軟件對不同襯砌布置形式下灌區渠道滲漏進行對比分析研究。

2 模型建立

灌區工程內水資源總量少且分布不均造成水資源的利用度低，為了解決該問題，在該區域修建許多灌水渠，總長達到1632km，累計灌溉面積達到698萬畝。

本文對該灌區渠道滲漏問題采用經典的Geo-studio軟件中的SEEP/W模塊進行仿真計算。通過計算對邊坡的不均勻條件、孔隙水壓力等進行分析。在達西定律的基礎上，結合當地基本情況進行數值計算，控制方程見式(1)和式(2)。

(1)

式中，kx，ky—x，y—方向滲透系數；H—水頭；Γ1—已知水頭邊界；Γ2—已知流量邊界；w—入滲量或者蒸發量；q—邊界法向的流量。

在求解平面滲流問題時實際上就是求解函數在流域D內的極值問題，故使得公式(2)求得極小值的函數H(x，y)即為該問題的解。

(2)

計算模型采取渠底寬度為20m，坡降為1∶1.75，渠道寬度為3.5m。為方便計算，渠坡頂點向兩側延長480m，渠底下層地基設置為100m。對平面進行網格劃分，采用多邊形，整體采用SWEEP掃掠法，在襯砌部分進行適當的網格加密，網格數量為563216個、節點數為632518個。坐標系坐標原點為渠底中心位置，渠道內為設計水位、左右兩的水位為原始地下水位、模型底部不透水、渠道表面為透水邊界。灌區內渠道局部模型圖，網格剖分圖，渠道整體邊界示意如圖1所示。模型內材料分區內滲透系數見表1。

圖1 有限元模型

襯砌結構滲透系數/(m/s)混凝土1.0×10-10預制板+土工膜1.0×10-13土工膜+礫石1.0×10-13土工布+透固體襯砌2.0×10-4砂壤土4.24×10-6砂土2.49×10-5礫石土5.0×10-4

渠道內襯砌采用透固體渠道襯砌形式，對渠道內采用不布置襯砌、全襯砌、部分襯砌(布置在渠坡底部、渠底中間、渠底兩側)5種布置形式進行研究。其中，渠底兩側和渠坡底部透固體襯砌的寬度均為1.5m、渠底中間的寬度為3m。計算工況見表2。

表2 襯砌布置形式計算工況

3 結果分析

3.1 滲漏量分析

對不同工況進行計算，無襯砌時渠道計算結果如圖2所示，全襯砌時渠道計算結果如圖3所示，渠坡底部襯砌計算結果如圖4所示，渠底中間襯砌計算結果如圖5所示，渠底兩端襯砌計算結果如圖6所示。

圖2 無襯砌時渠道計算云圖

圖3 全襯砌時渠道計算云圖

圖4 襯砌布置在渠坡底部時渠道計算云圖

圖5 襯砌布置在渠底中間時渠道計算云圖

圖6 襯砌布置在渠底兩端時渠道計算云圖

根據圖2—6可知，在不同位置布置襯砌對于渠道內滲流量有影響，在灌溉期內滲透量普遍大于非灌溉期。在無襯砌時滲透量最大，灌溉期和非灌溉期的滲透量大小分別為：2.52×10-5m3/s、3.99×10-6m3/s。全襯砌的滲透量最小，灌溉期和非灌溉期的滲透量大小分別為：1.47×10-8m3/s、1.48×10-9m3/s。部分襯砌的滲透量在同一個數量級，但是相互之間有所區別。襯砌在渠坡底部的滲透量較大，灌溉期和非灌溉期的滲透量大小分別為：2.43×10-5m3/s、3.91×10-6m3/s。襯砌在渠底中間位置的滲透量較小，灌溉期和非灌溉期的滲透量大小分別為：2.08×10-5m3/s、3.38×10-6m3/s。具體數據見表3。

表3 襯砌形式計算工況

與無襯砌相比進行節水率的分析，節水率見公式(3)。

節水率=節水量/滲透量

(3)

根據公式(3)可知，渠坡底端、渠底中間、渠底兩側、全襯砌的節水率分別為：3.57%、17.46%、9.92%、100%。可以知道襯砌布置在渠坡底端時節水率最低，襯砌布置在渠底中間時節水率相對較高，全襯砌時節水率最高，達到100%。

3.2 浸潤線高程分析

對非灌溉期內地下水向渠道內入滲時不同工況下渠道右側襯砌下表面孔隙水壓力隨Y軸(高程)的變化曲線如圖7所示。

由圖7可知，不同工況下渠坡表面孔隙水壓力隨Y(高程)的變化趨勢一樣，但是斜率明顯不同。孔隙水壓力為零時對應的Y軸坐標即為浸潤線高程點，無襯砌、全襯砌、渠坡底端襯砌、渠底中間襯砌、渠底兩端襯砌對應的浸潤線高程分別為：0.015、0.007、0.11、0.055、0.499m。無襯砌時浸潤線下降最嚴重，高度為0.485m；全襯砌時浸潤線幾乎沒有下降，雖然此種形式下可以明顯減少渠道的外滲漏量，但是幾乎不能降低渠道內地下水位，使得渠坡承受較大的揚壓力特別在寒冷冬季可能出現嚴重的凍裂破壞。

在部分襯砌中，襯砌布置在渠底中間時浸潤線下降高度最小，大小為0.39m，渠道外側水流向區內入滲量最小；襯砌布置在渠坡底端時浸潤線下降高度最大，大小為0.493m，渠道外側水流向區內入滲量最大。

圖7 模型計算應力云圖

4 結論

本文采用Geo-studio軟件以達西定律為基礎，根據灌區渠道內水利邊界條件進行計算分析，得出以下結論：

(1)從節水率角度考慮，全襯砌時效率最高，節水率為100%；渠坡底端效率最低，節水率為3.57%。

(2)從浸潤線下降幅度，渠道安全角度考慮，無襯砌時效果最好，下降幅度為0.485m、全襯砌時效果最差，下降幅度為0.001m。

(3)工程施工時，要根據工程需要進行合理選擇。本工程從節水率、浸潤線下降幅度、渠道安全角度、工程材料成本等方面考慮采用襯砌布置在渠底中間為最佳布置形式。