高地下水位渠道滲漏特性有限元分析

閆 科

(新疆伊犁河水利水電投資開發(fā)(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各地區(qū)人民用水量也持續(xù)增大，其中灌區(qū)用水占總用水量比例最高。而渠道作為灌溉輸水的主要手段，已被大面積采用。但已建渠道的老化以及各類新型引水工程的修建，渠道灌溉過程中滲漏問題越來越突出。針對渠道襯砌工程問題，已有很多學者[1-2]通過數(shù)值模擬法、室內試驗法、解析法等不同手段開展了一系列的研究，并取得了豐碩的科研成果。鄧銘等[4]等以北疆某引水渠道工程為研究對象，通過有限元軟件建立數(shù)值模型，分析了豎向排水井對渠道穩(wěn)定性的影響。張帥等[4]基于某高地下水位渠段工程，利用數(shù)值手段分析了渠道襯砌結構的穩(wěn)定性。系統(tǒng)探討了墊層厚度、滲透系數(shù)、排水管間距等因素的影響規(guī)律。劉煥芳等[5]基于泥沙運動力學理論，建立室內模型試驗，分析了明渠水沙對渠道產(chǎn)水量的影。深入研究了不同水深、床面沖淤變化等參數(shù)的影響。李甲林等[6]以某高地下水位渠道為研究對象，分析了渠道滑坡破壞成因機制，創(chuàng)新性的提出了濾頭式襯砌結構的襯護效果。基于此，以新疆地區(qū)某灌區(qū)渠道工程為研究對象，通過有限元軟件建立渠道模型，分析了高地下水位下灌區(qū)渠道滲漏量的影響，并探討了不同因素的影響規(guī)律。

1 工程概況

本文以某灌區(qū)渠道工程為研究對象。該地區(qū)氣候寒冷干旱、多風且少雨。該區(qū)引水壩控制集雨面積為2100km2，壩址以上20km處建有水庫，水庫控制集雨面積為1650km2，總庫容2.3億m3，為下游引水壩提供了穩(wěn)定可靠的水源。引水壩的引水量可達5.6億m3，其中有效引水可達3.2億m3，用于灌溉水量1.8億m3。灌區(qū)涉及多個縣城，灌溉面積達到102.3萬畝。該灌溉渠道歷經(jīng)多年，渠道深約為3.5m，底部寬度約為20m，坡度比為1∶1.75。

2 有限元模型

依照實際工況，建立渠道深3.5m，底部寬20m，坡度比為1∶1.75的模型，如圖1所示。模型總圖尺寸200m(寬)×50m(高)，對模型進行網(wǎng)格劃分，共計23655個單位，27985個節(jié)點。模型邊界條件：模型底部設為不透水邊界，模型表面設為透水邊界，兩側設為原始地下水位。

圖1 整體模型圖

模型分成三層土層，表1給出了土體物理力學參數(shù)。

表1 土體物理力學參數(shù)

3 影響因素分析

3.1 渠道水位深度的影響

為研究渠道水位深度對渠道滲漏量的影響，建立6種不同渠道水位模型(渠道水位分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m)，控制地下水位不變。并對比淺層地下水位(-0.5m)和深層地下水位(-40m)2種工況。根據(jù)計算結果，將不同工況滲漏量的計算結果見表2。

表2 不同水位工況滲漏量

從表2中可以看出，當?shù)叵滤惠^淺(-0.5m)時，渠道水位為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m時，對應的滲漏量分別為7.42×10-6、1.15×10-5、1.58×10-5、2.04×10-5、2.51×10-5、2.92×10-5m3/s；當?shù)叵滤惠^淺(-45m)時，渠道水位為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m時，對應的滲漏量分別為3.86×10-4、3.96×10-4、4.06×10-4、4.18×10-4、4.23×10-4、4.29×10-4m3/s，可見深地下水位下渠道滲漏量與渠道水位近似線性增長。

如圖2所示，對于淺地下水位條件下，渠道水位從0.5m提升至3.0m，即內外水頭差從1m提升至3.5m，增加了2.5倍，滲漏量對應的增加了約2.9倍，可見淺地下水位下渠道滲漏量與渠道水位近似線性增長，且滲漏量的增長幅度與內外水頭差增長幅度接近。對于深地下水位條件下，渠道水位從0.5m提升至3.0m，即內外水頭差從45.5m提升至48.5m，增加了0.07倍，滲漏量對應的增加了約1.1倍。深地下水位時，滲漏量與渠道水位呈非線性增長，渠道水位越大，滲漏量增長幅度越低。這是因為當為淺地下水位工況時，水位接近渠道底部，水位變化對渠道滲透坡降有顯著影響，從而對滲漏量也有顯著影響；當為深地下水位工況時，渠道水位變化遠小于地下水位埋深，平均水力坡降接近1，因而水位變化對渠道滲透坡降影響有限，此時過流面積增大是引起滲流量變化的主要原因。對比深淺地下水位2種工況可知，深地下水位工況下滲漏量增長幅度遠小于淺地下水位工，即隨著地下水位降低，渠道水位變化對滲漏量有限逐漸削弱。

圖2 不同水位工況滲漏量

3.2 地下水位深度的影響

為研究地下水位對渠道滲漏量的影響，控制渠到水位不變。主要研究非灌溉期(渠道水位0m)和灌溉期(渠道水位2.5m)兩種工況。具體的，非灌溉期(渠道水位0m)建立6種不同地下水位：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m；灌溉期(渠道水位2.5m)建立10種不同地下水位：0、-5、-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40、-45m。

如圖3所示，非灌溉期渠道未襯砌時，渠道地基土水利坡降橫向變化曲線。從圖中可以看出，非灌溉期工況下，渠道水位為0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m時，對應的水力坡降峰值分別為0.066、0.136、0.204、0.273、0.344、0.415。進一步觀察可知，非灌溉期渠道未襯砌時，水力坡降峰值發(fā)生在渠道坡腳位置，即該位置最可能發(fā)生流土破壞。渠道水力坡降峰值隨著地下水位的增加基本呈線性增長，當?shù)叵滤贿_到某一高度時，水力坡降峰值大于允許水水力坡降，從而導致渠道發(fā)生流土破壞。

圖3 渠道地基土水利坡降橫向變化曲線

如圖4所示，非灌溉期和灌溉期，滲漏量隨地下水位變化曲線。從圖4(a)中可以看出，非灌溉期滲漏量隨地下水位呈線性增長，當?shù)叵滤粡?.5m增大到3.0m時(即地下水位增大了5倍)，對應的滲漏量也增大了5倍，滲漏量的增加幅度與地下水位增長幅度幾乎一樣。從圖4(b)中可以看出，灌溉期滲漏量隨地下水位總體呈非線性增長。當?shù)叵滤惠^淺時，滲漏量隨地下水位呈線性增長，且滲漏量的增加幅度與地下水位增長幅度也基本一樣；當?shù)叵滤惠^深時，隨地下水位的增大，滲漏量的增長幅度逐漸減小，最終滲漏量趨于穩(wěn)定。這是因為淺地下水位時，渠道滲透坡降受渠道水位變化影響較大，從而滲漏量變化也顯著；深地下水位時，渠道地基土滲透坡降約等于1，地下水位和渠道水位對滲透坡降都影響有限，進而對滲漏量影響有限。

圖4 滲漏量隨地下水位變化曲線

3.3 渠道襯砌形式的影響

為研究渠道襯砌形式對滲漏量的影響，本節(jié)建立5種不同襯砌形式，并對比了非灌溉期和灌溉期工況。具體工況見表3。

表3 不同襯砌形式工況

不同襯砌形式下非灌溉期與灌溉期滲漏量結果見表4。從表中可以看出，相對于不襯砌形式，當渠道采用全襯砌形式時，非灌溉期與灌溉期渠道的滲漏量都很小，可近似認為不滲漏。當渠道采用局部襯砌形式時，不論透固體布置在何位置，其滲漏量與不襯砌形式下的滲漏量在一個量級。當透固體布置在渠道底部時，非灌溉期與灌溉期渠道的滲漏量均最大；當透固體布置在渠道中部時，非灌溉期與灌溉期渠道的滲漏量均最小。對比不同地下水位工況，不論哪種襯砌形式，地下水位為-0.5m時的滲漏量最大，這是因為水頭差最大。

表4 不同襯砌形式計算結果

根據(jù)表4結果，計算灌溉期襯砌節(jié)水率(襯砌節(jié)水率=襯砌前后滲漏量差值/未襯砌時滲漏量)，見表5。從表中可以看出，渠道底部透固體襯砌工況下節(jié)水率最小，渠道中部透固體襯砌工況下節(jié)水率最大。但灌溉期不論透固體布置在何處，襯砌節(jié)水率相較于全襯砌結構均很小，全襯砌結構的節(jié)水率達到100%，節(jié)水效果很好。

表5 灌溉期襯砌節(jié)水率計算結果

進一步根據(jù)孔隙水壓力沿Y軸變化規(guī)律，求出非灌溉期渠道浸潤線所對應的高程(道浸潤線所對應的高程即為孔隙水壓力為0時所對應的Y軸坐標值)。對于不襯砌渠道，最大浸潤線高度下降0.485m；對于全襯砌渠道，最大浸潤線高度僅下降0.001m，可見浸潤線基本沒下降，此時地下水位較高時會形成揚壓力作用于襯砌結構，尤其寒冷季節(jié)渠道會發(fā)生凍脹破壞，從而降低渠道穩(wěn)定性。對于局部襯砌結構，渠道中部透固體襯砌時的最大浸潤線高度下降最大。

4 結論

依托新疆地區(qū)目某灌溉渠道工程，通過有限元分析法研究了渠道水位深度、地下水位深度及襯砌形式對渠道滲漏量的影響規(guī)律。主要得到以下結論：

(1)淺地下水位下渠道滲漏量與渠道水位近似線性增長，且滲漏量的增長幅度與內外水頭差增長幅度接近；深地下水位滲漏量與渠道水位呈非線性增長，渠道水位越大，滲漏量增長幅度越低。

(2)非灌溉期渠道未襯砌時，水力坡降峰值發(fā)生在渠道坡腳位置，即該位置最可能發(fā)生流土破壞。渠道水力坡降峰值隨著地下水位的增加基本呈線性增長，當?shù)叵滤贿_到某一高度時，水力坡降峰值大于允許水水力坡降，從而導致渠道發(fā)生流土破壞。

(3)當渠道地下水位大于渠段底部時，渠道底部透固體襯砌形式最適宜；當渠道地下水位小于渠段底部時，可采用全襯砌結構形式，滲漏量極低，節(jié)水率最高。