倪生祥

(喀左县中三冢水利服务站，辽宁 喀左 122305)

1 工程背景

辽宁省喀喇沁左翼蒙古族自治县(以下简称喀左县)隶属于辽宁省朝阳市，位于水资源严重不足的辽西半干旱地区，水资源不足和利用效率低下一直是制约当地农业经济发展的重要瓶颈性因素[1]。鉴于喀左县境内有大小河流百余条，地表水资源较为丰富，因此在新中国成立之后的数十年中大力进行灌区建设，为促进当地的农业发展和农民增收起到了重要作用[2]。平房子灌区地处喀左县南部，干旱少雨，自然条件、生态环境较差，水资源比较匮乏。该工程渠首位于平房子水闸处，平房子水闸位于喀左县平房子镇山湾子村，地处大凌河、蒿桑河、渗津河交汇点，大凌河中上游。该灌区始建于20世纪70年代，至今已经运行40多年，由于原有渠道建成年代较久，渠道的衬砌工程老化破损问题比较突出，不仅造成较大的渠道渗漏，增加运行成本，同时还造成有限水资源的严重浪费。因此，平房子灌区在2015年进行了灌区的渠道衬砌的节水改造。由于平房子灌区由于地处河谷，部分渠段的具有较高的地下水位，最高水位仅有-1.20m，鉴于高地下水位的影响，渠道的衬砌在非灌溉期渠道存在比较明显的侧向水渗入，特别是地下水位高于-2.50m的地段，这种渗入作用十分明显，由此形成的扬压力往往会对衬砌结构造成显著的不利影响，不利于渠道衬砌稳定，同时由于该段渠道的基土含水率较高，极容易在冬季造成冻胀破坏。因此，拟在高地下水位渠段的衬砌节水改造设计中采取衬砌开缝的透水式衬砌结构形式。

2 Seep3D渠道渗流数值计算模型

2.1 模型构建

Seep3D是一种专门用于渗流计算的三维有限元计算软件[3,14]，该软件不仅具有较高的计算精度，同时也广泛适用于不同条件下的渗流计算，被广泛应用于岩土工程领域的渗流计算。同时，该软件还具有使用方面的便捷性，在对边界条件与材料参数进行设置之后，即可用于本次研究中的渠道渗流计算[5]。

本次研究中利用Seep3D软件，以平房子灌区主干渠桩号为0+1250～0+1550的高地下水位渠段为研究对象，构建三维计算模型。首先，对模型具体尺寸进行设置：按照研究区段的渠参数，将渠道模型的底宽设置为20.0m，深度设置为6.0m，渠道两侧的衬砌厚度设置为0.1m。结合相关研究文献中的理论和经验，模型的计算范围为渠道底部中心向渠道两岸延伸100m，模型总长度为300m。然后进行模型的计算坐标系设置：以渠道断面向右的方向作为模型的x轴方向，以竖直向上的方向作为y轴的正方向；渠道纵断面指向后横断面的方向为z轴的正方向。计算模型采取正六面体网格划分，最终获得110987个计算单元，98675个计算节点，模型及网格划分如图1所示[6]。

图1 渠道三维有限元模型示意图

2.2 边界条件与材料参数

在模型试验中，渠道水位是重要的边界条件，在本次研究中，将渠水位以及渠道左右两侧的侧地下水均设置为固定水头边界，渠道模型的前后以及底面均为不透水边界[7]。由于渠道位于河谷地段，结合当地的地质情况，渠道基土砂土以及混凝土衬砌材料的计算参数见表1。为了减小计算量，同时较为准确地模拟渠道开缝形成的透水式衬砌的渗漏情况，在计算过程中将开缝位置以及渠道底部以及渠道两侧的材料设置为砂土，而渠道的其余位置则设置为混凝土衬砌，以实现衬砌开缝透水的目的[8]。

表1 材料参数表 单位：m/s

2.3 计算工况设计

本次研究的数值计算条件为：渠坡底部衬砌为开缝设计，开缝宽度分别为1.0m。模型计算显示采用上述透水式衬砌设计，在非灌溉期能够显著降低渠坡坡面部位的浸润面高度，大幅降低渠道在冬季的冻胀破坏，提高渠道衬砌的稳定性。但是，在灌溉期虽然的衬砌节水效果并不明显，仍将因渗漏造成水资源浪费。因此，本次研究试图在开缝式透水衬砌基础上进一步优化，也就是在衬砌开缝的边缘位置设置一定高度的垂直导流板，从而减少渠道的渗流量[8]。垂直导流板的长度分别为0、0.5、1.0、1.5m。计算工况设计见表2。

表2 计算工况 单位：m

3 计算结果分析

利用构建的模型，对不同工况下，渠道衬砌底面的渗流速度和水力坡降进行计算，获得如图2—9所示的结果。由图中的结果可知，渗流速度和水力坡降随x轴正方向和负方向的变化基本一致，最大渗流速度值和最大水力坡降值均位于渠道衬砌开缝位置附近，且距离开缝位置越远，流速和水力坡降值也不断减小。

图2 工况1流速曲线

图3 工况1水力坡降曲线

图4 工况2流速曲线

图5 工况2水力坡降曲线

图6 工况3流速曲线

图7 工况3水力坡降曲线

图8 工况4流速曲线

图9 工况4水力坡降曲线

对4种不同工况下，渠道渗流量、衬砌下底面的最大渗流速度以及最大水力坡降进行计算，结果见表3。由表中的计算结果可以看出，在灌溉期正向渗流条件下，渠道渗流量、最大流速和最大水力坡降则随着垂直导流板长度的增加而减小。另一方面，从表格中的数据可以看出，当垂直导流板的长度在1.0m以内时，渠道渗流量的减少速率较大，而垂直导流板的长度在1.0m以上时，渠道渗流量的减小速率较小。因此，导流板长度在1.0m左右时，可以起到明显的防渗作用。

表3 不同垂直导流板长度的数值计算结果

利用表3中的渠道渗流量计算结果，利用三维有限元数值模型可以进一步计算获得不同工况下的渠道衬砌节水率以及浸润面最大高程，具体计算结果见表4。由表中的数据可以看出，随着垂直导流板长度的增加，渠道渗流量逐渐减少，与之对应的是渠道衬砌的节水率在不断提高，浸润面的最大高程逐渐降低为0。具体而言，当导流板长度为0m时，渠道渗流的最大流速和最大水利坡降最大，渗流量也最大，衬砌节水率为43.30%，浸润面的最大抬升高度达到1.75m；当导流板的长度为0.5m时，衬砌节水率为57.12%，浸润面最大抬升高度为1.53m；当导流板的长度为1.0m时，衬砌节水率为68.22%，浸润面最大抬升高度为1.50m；当导流板的长度为1.5m时，衬砌节水率为57.12%，浸润面最大抬升高度为1.50m。

由此可见，当导流板长度在1.0m以下时，随着导流板长度的增加，渠道衬砌的节水效能提升明显，但是随着导流板长度的进一步增加，对衬砌节水效果的提升并不十分显著。

表4 渠道衬砌节水率以及浸润面最大高程计算结果

4 结语

以辽宁省喀左县平房子灌区高地下水位渠段为例，利用Seep3D软件针对衬砌开缝式透水衬砌设计中开缝下部设置垂直导流板对渠道防渗作用的影响开展研究，以获取最佳的垂直导流板长度设计，为工程设计和建设提供理论支持。模型计算结果显示，在灌溉期正向渗流条件下，渠道渗流量、最大流速和最大水力坡降则随着垂直导流板长度的增加而减小。当垂直导流板的长度在1.0m以内时，渠道渗流量的减少速率较大，而垂直导流板的长度在1.0m以上时，渠道渗流量的减小速率较小。从渠道衬砌节水率来看，当垂直导流板长度在1.0m以下时，随着垂直导流板长度的增加，渠道衬砌的节水效能提升明显，但是随着导流板长度的进一步增加，对衬砌节水效果的提升并不十分显著。综上所述，结合渠道建设的经济性，建议在渠道结构设计中采取长度为1.0m的垂直导流板。