混凝土襯砌渠道滲漏損失分析

郭超平

(山東省聊城市位山灌區管理服務中心，山東 聊城 252001)

中國是一個以農業為基礎的國家，擁有龐大的灌溉渠、跨流域輸水渠。農業是經濟的支柱之一[1]。由于大半部分地區是干旱和半干旱地區，人們普遍認為有必要通過修建水利工程來灌溉農業作物[2-3]。山東省西部的位山灌區于1970年就建立了灌溉網絡，灌區涉及聊城市的東昌府區、臨清市、茌平縣、高唐縣、開發區的全部和東阿縣、冠縣、陽谷縣的部分耕地，共包括89個鄉(鎮)，3532個行政村，控制面積5380k，耕地面積569萬畝。灌區內農業以糧食種植為主，產品較單一，灌區內農作物以小麥、玉米、棉花為主，兼作花生、大豆等。該灌區每年的河水從攔河壩分流到灌溉渠的渠首，由于滲漏，大量水流經河道干渠系統的過程中流失，這也導致了鹽漬化和內澇的雙重威脅[4-5]。渠道滲漏的負面影響包括：淡水枯竭、地下水污染、導致內澇和鹽堿化、地下水位上升導致有用土地浪費、灌溉效率降低和運營成本增加等[6-7]。渠道滲流主要取決于土壤滲透性、渠道中的水深、濕潤周長、渠道幾何形狀、地下水位位置、流動水流速、剪切應力(移動水流在河床上的力)、渠道內水面與含水層地下水面之間的坡度、對地下水流的限制，例如排水溝[8]。河道水粘度、河道水鹽度、泥沙量和大小分布、河道年齡和植物。滲透性由土壤的物理性質決定[9]。土壤分類(基于粒度)影響孔隙大小和孔隙空間百分比，以及作用于水分子的以下力，即粘附力、內聚力和重力[10]。土壤顆粒之間的空隙越大，重力損失的水量就越大。粘土和礫石的混合物起到防滲層的作用，而質地較粗糙的土壤(如沙子)具有較高的滲透率和滲透率。本文以位于山東省西部的位山灌區的7條混凝土襯砌分流渠道為研究區域，使用流入流出法進行實測滲流數據；并確定了5個經驗公式在計算渠道滲流中的適用性。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為位山灌區，該灌區位于山東省西部，地處東經115°16′～116°30′，北緯35°47′～37°03′之間。灌區涉及東昌府區、聊城經濟技術開發區、聊城高新技術產業開發區、聊城江北水城旅游度假區、臨清市、陽谷、在平縣、冠縣、東阿縣、高唐縣共4區1市5縣，設計灌溉面積508萬畝。現有輸水干渠共計3條。一干渠：控制灌區東部東阿、在平、高唐3縣，徒駭河以東區域，設計灌溉面積130萬畝，干渠0+000～59+000段已襯砌完畢，很大程度上改善了輸水輸沙條件。二干渠：控制灌區中北部徒駭河、四新河以西，馬頰河、小河道以東東昌府區、在平、高唐3縣區部分面積，設計灌溉面積130萬畝，現已對0+000～68+730段渠道已進行了襯砌。三干渠：控制灌區西部馬頰河、小河道以西陽谷、東昌府區、冠縣、臨清4縣市區全部或部分面積，控制灌溉面積達到280萬畝。交通生產橋已基本滿足，但調控建筑物配套程度較差。由于長期運行及資金不足，管理機構不健全，措施不力，致使工程老化退化嚴重，工程完好率下降。

1.2 研究方法

1.2.1滲流測量

本研究使用流入流出法進行滲流測量。使用流速儀測量流速。采用速度面積法測量流入段和所有流出段的流量。渠道寬度用電纜測量，深度用涉水桿測量。使用測量鏈測量伸展長度。在試驗開始前24h，選擇用于滲流測量的試驗渠道河段的流入量保持恒定。然后，標記了到達的起點和終點。建立了一個參考點，以測量河段起點和終點的深度。河道橫截面分為8～10個小節。通過涉水桿和電纜測量每個分段的水流深度和寬度。平均深度取兩個連續分段深度的平均值。在使用流速儀進行流速測量之前，對流速儀進行了校準。對于小于0.6m的深度，使用單點法進行速度測量，對于0.6～2m的深度，使用兩點法。

1.2.2濕周測量

在河段的4個不同位置測量河道的深度和寬度，從中計算出平均深度和寬度。使用平均深度和寬度計算濕周周長。

1.2.3土壤分類

在7個不同的位置進行了標準貫入試驗，以在河道河岸下方1.5～2m的深度處獲得原狀樣品。進行了以下試驗：篩分分析、比重計分析、液限和塑限。然后根據統一土壤分類系統對土壤進行分類。結果表明，該地區的土壤類型可歸類為粉壤土。粉質壤土是一種含50%或以上粉土(0.005～0.075mm)和12%～27%粘土(0.001～0.005mm)的土壤，或含50%～80%粉土和少于12%粘土的土壤。

1.2.4用流入流出發計算實測滲流

在流入流出滲流測量方法中，河段中的滲流通過水量平衡公式獲得除滲流外，所有輸入均已知的方程。

S=Q1-Q2-Qf-F-U-E

式中，每個變量的單位均是m3/s。S—渠道滲流；Q1—河段上游端的流入；Q2—河段下游端的流出；Qf—分流到排水渠的流量；F—排水渠的損失(本研究中為0)；E—蒸發損失，蒸發損失估計為流入流量的0.5%；U—通過減少未測量孔口的水損失(本研究中忽略)。

1.2.5經驗公式

使用5種不同的經驗公式，即Moritz方程、Swamee方程、Punmia方程、Kostiakov公式和Davis-Wilson混凝土襯砌渠道公式，對7條選定渠道的滲流進行了估算。

Moritz方程：

(1)

式中，S—滲透損失(單位長度)，m3；Q—流量，m3/s；V—速度，m/s；C—根據土壤類型的定值，混凝土襯砌渠道等于0.1。

Punmia公式：

K=0.349×Q0.68

(2)

式中，K—滲透損失(每平方米)，m3/s；Q—流量，m3/s；(河段開始時)

Swamee方程：

qs=KyF

(3)

式中，qs—單位長度渠道的滲流流量，m2/s；K—多孔介質的導水率，m/s；y—渠道中的水深，m；F—渠道幾何形狀的函數(無量綱)。

(4)

式中，b—渠道寬度，m；y—水流深度，m；m—邊坡坡度(本研究中為1)。對于正常現澆混凝土襯砌，使用的滲透值為：k=1×10-7m/s。而對于開裂的混凝土襯砌，k=1×10-6m/s。

Kostiakov公式：

(5)

式中，Q—滲流量，m3/s；Qnetflow—通過渠道的凈流量，m3/s；a—渠床土壤的滲透系數(流體流速和水頭之間的比例系數；b：渠床土壤的滲透指數(定義土壤的粒度。公式中使用的滲透系數a和滲透指數b的值為分別為2.65和0.45。

Davis和Wilson方程：

(6)

式中，S—滲透損失(每段渠道每天)，m3；L—渠道長度，m；Pw—濕潤周長，m；Hw—渠道水深，m；V—渠道流速，m/s；C—襯砌的恒定值(對于混凝土襯砌渠道，C等于1。

2 結果與討論

2.1 實測滲流

7條選定渠道的滲透損失率如圖1所示。損失率為1.4×10-7～5.1×10-7m/s，平均3.5×10-7m/s。滲透損失的變化源于渠道襯砌的狀況，渠道襯砌的裂縫或塊體之間的空隙促進了滲透。可以看出，7條河道中有4條超過了建議值。這是對河道維護狀況不佳的間接體現。河道的照片顯示，襯砌中不同位置生長著草，這表明植物根部區域存在滲漏。例如，1號河段沒有雜草過度生長，是該地塊中最好的，而6號河段是泄漏最嚴重的一個，存在大量過度生長的雜草，如圖2所示。此外，維護不善的河道，其滲漏損失會急劇增加，即流入流量的45.5%。相關文獻指出，維護良好的混凝土襯砌渠道的滲透損失應小于3×10-7m/s。1號河段河段和7號河段位于上游；3號河段和5號河段在河流下游，其余在中游。

圖1 比較7條渠道的實測滲透損失Δqs，其中直線表示維護良好渠道的滲透損失率上限

2.2 使用各種經驗公式計算的滲流率

為了與各個方程計算結果進行比較，測量流量用試驗河段的長度和濕潤參數進行歸一化，給出單位為m/s的滲流結果，詳情結果見表1。

(1)Swamee方程

Swamee方程是作為有效最小損失渠道的設計指南推導出來的。這個滲流計算為幾何變量F、水流深度和混凝土襯砌滲透性的乘積。變量F為關鍵變量，由混凝土的滲透性決定如圖3所示。結果表明Swamee方程低估了除4號河段外的所有河道。然而，對于1號河段和3號河段，誤差不超過50%。這3條渠道的實測滲透損失較小，滿足了維護良好的渠道襯砌的標準。與此同時，其他4條河道的損失增加。可以合理地假設，主要不確定參數是k，即混凝土的滲透性，隨著裂縫的存在而增加。這表明，通過Swamee經驗公式，選擇混凝土襯砌滲透性的代表值可以為滲流提供合理準確的結果。

在大多數河道中，Swamee方程低估了滲流。平均誤差為-0.42，標準偏差為0.28，這是所有其他經驗公式中最小的。為了改進Swamee方程的結果，建議對方程中的參數F的計算進行修改，并對比b/y進行修改，對于渠床寬度b，使用水面頂部寬度。這導致參數F的平均值增加約38%。此外，平均誤差降低至-0.20，相當于平均誤差減少約52%。

(2)Punmia方程

Punmia方程的性能表現的非常好，平均誤差為+0.19。然而，結果中的離散程度相對較大，為0.92，與Swamee的0.28和Moritz公式的0.75相比，這是不利的。該公式以冪律形式將滲透量q與渠道承載流量聯系起來，即q=cQd。系數c和d反映了實測滲流率數據庫的質量。其計算結果較好的原因是，它更接近于當地襯砌條件。

表1 使用經驗公式比較實測滲流和估算滲流

圖2 選取的各段河道圖

圖3 混凝土襯砌開裂和未開裂的滲流計算

(3)Moritz方程

(4)Kostiakov公式

Kostakov公式以q=cQd冪形式表示滲流，其中c和d分別取決于滲透系數和滲透指數，Q表示渠道河段的凈體積流量。參數c和僅以土壤質地表示，并從中給出的表格中選擇。由于對土壤質地的描述很少，故使用考慮穩定滲流狀態的土壤特性。Kostiakov公式與Punmia方程具有類似的冪律形式。然而，Punmia方程僅在Kostiakov公式取決于土壤滲透性的情況下，才是流量體積率Q的函數。此外，流量體積率Q也是Kostiakov公式性能相對較差的原因，也可能是由于長期試驗達到現場未達到穩態滲流條件。

(5)Davis-Wilson方程

Davis-Wilson方程結果計算的滲流量體積很小(約10-6)。與測量結果相比，因此未顯示。其性能不佳的原因可能與以下事實有關：滲流隨著水深的增加而變化，達到1/3的冪次方。另一個原因可能是，它不適合當地的條件。

3 結語

本研究使用流入流出法對研究區7條襯砌渠道進行了滲流測試。與其他方法相比，該方法對流量測量誤差更小。利用現場滲流數據，利用5個經驗滲流公式，即Davis-Wilson、Kostiakov、Moritz、Punmia和Swamee，對滲流估算進行了比較研究。觀測證據表明，襯砌完整且裂縫較少的渠道泄漏較少，而從襯砌裂縫中生長較多雜草的渠道泄漏較多。實測公式和經驗公式結果存在差異的原因主要是流量測量的不確定性、混凝土襯砌中是否存在裂縫以及經驗公式中出現的參數值的不確定性。本研究的可以幫助渠道設計工程師使用經驗公式準確估計渠道的滲流，有助于參與河道系統規劃、設計和運營。