寒區高地下水位渠道透水襯砌結構方案分析

孫黎強

(山東省濱州市引黃灌溉服務中心，山東 濱州 256600)

1 工程背景

山東省濱州市小開河引黃灌區下轄6個區縣，設計灌溉面積110萬畝，干渠總長度96.5km，支渠總長度128.6km，斗渠總長度241.4km。近年來，得益于流域綜合治理項目和灌區續建配套項目建設的實施，灌區內的大部分渠道都進行了改建和襯砌，顯著提升了灌溉渠道的功能發揮和水資源綜合利用系數。但是，灌區仍有大量的干渠和獨立引水斗渠分布在高地下水位地區，襯砌的難度較大。鑒于國家對水資源管控要求的不斷提高和群眾節水意識的不斷增強，這些高地下水位地段渠道亟待列入襯砌范圍。5#干渠全長15.22km，其中8.66km為正規渠道，其余為不規則渠道。該干渠的上段1.5km渠段的右側為大片耕地，左側為河道，地下水位偏高。由于該渠段地質條件較為復雜，特別是地下水位較高，現有渠底以下0.5m部位普遍存在地下水滲出，如果采用現澆混凝土襯砌結構，則難以達到冬季防凍脹要求[1]。同時，如果襯砌結構下部的墊層中長期有水，也會顯著影響渠道本身的穩定性[2]。此外，該段渠道的渠基土主要是強滲透性的沙壤土，如果不進行襯砌護岸，也難以有效保證渠道的正常運行[3]。為了解決上述問題，工程項目部決定對該渠段采用透水襯砌結構。基于此，此次研究通過室內試驗的方式，探討透水襯砌透水結構厚度、設置位置以及長度對渠道滲流量和抗凍脹性能的影響，以便為工程設計和建設提供支持。

2 試驗設計

2.1 試驗裝置

由于工程場地和工期等因素的限制，此次研究采用室內模擬試驗的方式開展[4]。首先，利用相似性原理對試驗箱進行設計，并保證模型的透水邊界和隔水邊界條件與工程原型相一致。將試驗中觀測獲得流量值和凍脹量數據通過公式轉換為原型的滲流量和凍脹量。

結合試驗場地的情況，模型的幾何比尺設定為1∶5。模型試驗箱為長方體，其長、寬、高分別為480cm、100cm和120cm(模型示意圖如圖1所示)，邊坡系數為1∶1.75。模型試驗箱的長度方向為背景工程渠道的橫截面，寬度方向為渠道的軸線方向。利用厚度10mm的有機玻璃板制作試驗箱的箱體結構，鑒于箱體的尺寸較大，在其側面加裝鋼肋梁提高箱體的抗彎強度[5]。在箱體的兩側和底部安裝測壓管，實現水位高程的測量。在箱體的右側安裝溢流閥門，實現試驗過程中地下水位的合理模擬，同時對渠底的滲流量進行測量[6]。在模擬試驗過程中，除透水體部位之外，其余部位采用現澆混凝土處理，其厚度按照滲流量要求以等效原則確定。

圖1 模型試驗箱結構示意圖

2.2 試驗條件

由于試驗中需要測定不同試驗方案的凍脹量，因此試驗在低溫實驗室進行。模型試驗中的用土取自工程現場，以保證試驗結果與背景工程的契合性。利用土樣在試驗箱內壓實制作渠基土。制作過程中采用分層填筑分層夯實的方式進行。在填滿試驗箱之后按照幾何比尺開挖出渠道模型，并進行透水體的安放和混凝土襯砌板的鋪設[7]。

試驗中規定地下水位和渠道的渠底高度一致時為0m，高于該高度記為正；低于該高度記為負。試驗中采用穩定滲流法進行滲流量的測試。在試驗時，首先連接自來水管，將水緩慢注入模型渠道至水渠正常運行時的渠水位，然后對溢流閥進行調節，將地下水位調節至設定水位開始試驗。試驗中需要及時向渠道內補水以保持固定的水位高度。每隔10min測量一次滲漏水量，在滲漏穩定時再連續測量3次，以其均值作為滲漏量的試驗結果。

在滲漏量試驗結束之后，將模型的模擬地下水位降低到試驗設計值，然后室內氣溫降至5℃，將模型靜置12h開始凍脹量試驗。凍脹模擬試驗由降溫和恒低溫兩個階段構成。其中降溫階段歷時24h，將室內溫度由5℃降低至-15℃；恒低溫階段歷時36h，室內溫度保持-15℃不變。在試驗結束之后測量襯砌結構的凍脹量并進行分析。

2.3 試驗方案

結合相關工程經驗和研究成果，輸水渠道透水襯砌結構滲流量和抗凍脹性的主要影響因素為透水體塊石大小、長度和設置位置[8]。基于此，此次試驗研究中設計4、5、6、7cm 4種不同的干砌石透水體的厚度；20、30、40、50cm 4種不同的透水體長度；設置渠底中部、渠底兩側、渠坡底部和渠坡中部等4種不同的設置位置進行實驗方案設計(后3種方案需要設置兩條透水體，其長度總和等于透水體長度方案的設計值)。為了減少試驗次數，試驗中固定兩個因素的不便，對第3個因素的最佳參數進行實驗研究，最終獲取最佳設計方案。結合項目的地下水的變化情況，試驗中設置20、10、0cm 3種不同的地下水位工況。

3 試驗結果與分析

3.1 透水體位置

試驗中保持透水體厚度5cm、透水體長度40cm不變，對不同透水體設置位置方案下的渠道滲流量和凍脹量進行試驗。對試驗中獲得數據進行必要的整理和計算，結果見表1。從實驗結果可以看出，透水體位置會對滲流量和凍脹量造成比較明顯的影響。具體來看，當透水體設置在渠坡底部時不同地下水位高度下的滲流量最大，這有利于渠基土中地下水向渠道中排泄，從而降低渠基土的含水率，有利于渠坡的穩定性。由于基土含水率下降，渠基土的凍脹量也明顯偏小，有利于減輕凍脹作用對混凝土襯砌結構的凍脹破壞，有利于提高渠道襯砌結構的耐久性。因此，建議將透水體設置在渠坡底部。

表1 不同透水體位置方案滲流量和凍脹量試驗結果

3.2 透水體厚度

研究中保持透水體在渠坡底部，透水體的長度為40cm不變，對不同透水體厚度方案下的滲流量和凍脹量進行試驗，根據試驗結果，繪制出滲漏量和凍脹量隨透水體厚度的變化曲線，結果如圖2—3所示。由圖2—3可以看出，滲流量隨著透水體厚度的增加而緩慢減小，但是減小的幅度較為有限。究其原因，主要是透水體由塊石砌成，內部滲流通道較多，其厚度不會對滲流量造成顯著影響。從凍脹量來看，隨著透水體厚度的增加，凍脹量最大值呈現出不斷減小的變化特點，但是厚度超過5cm時減小的幅度較為有限。究其原因，主要是透水體厚度的增加需要同時增大下部砂礫石墊層的厚度，因此抗凍脹效果有所改善。鑒于透水體厚度的增大會顯著增加工程的開挖施工量和墊層工程量，綜合考慮工程經濟性和抗凍脹效果，建議采用透水體的厚度為5cm，按幾何比尺折算，背景工程建議采用25cm厚的透水體。

圖2 滲流量隨透水體厚度變化曲線

圖3 凍脹量最大值隨透水體厚度變化曲線

3.3 透水體長度

試驗中將透水體設置在渠坡底部，透水體厚度保持5cm不變，對不同透水體長度方案進行試驗，根據試驗結果，繪制出如圖4—5所示的滲流量和凍脹量最大值隨透水體長度的變化曲線。由圖4—5可以看出，渠道的滲流量隨著透水體長度的增加而迅速增加，后逐漸趨于平穩；凍脹量隨著透水體長度的增加而迅速減小后逐漸趨于平穩。當透水體長度大于30cm時，滲流量和凍脹量最大值的變化幅度相對較小。同時，增加透水體的長度對渠道襯砌結構的穩定型會產生一定的影響，采用較大的透水體長度還增加混凝土框格梁結構尺寸，從而增加工程投資。因此，按照幾何比尺計算，背景工程透水體的長度以150cm為宜，也就是在兩側渠坡部位各設置長度為75cm的透水體。

圖4 滲流量隨透水體長度變化曲線

圖5 凍脹量最大值隨透水體長度變化曲線

4 結語

在北方寒區高地下水位地區的渠道襯砌工程建設中，采用透水襯砌結構設計，可以有效降低渠基土的含水率，降低冬季低溫條件下的凍脹破壞。此次研究探討了透水體的不同設計參數對渠道滲流量和凍脹量的影響，并提出了最佳設計方案，不僅可以為背景工程的設計施工提供支持，對相關類似工程研究也具有借鑒意義。當然，此次研究主要通過室內模型試驗的方式展開，而室內模型很難對工程現場的情況進行準確模擬，因此此次研究的結果仍有待工程實踐檢驗。此外，在今后的研究中還應該進一步研究和探索更多的透水體結構，以獲得更好的抗凍脹工程效果。