王小東，王紅雨，2，李存云

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川750021；2.寧夏大學寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川750021)

在季凍區(qū)凍融循環(huán)條件下，混凝土襯砌渠道及其剛性連接存在嚴重的凍脹破壞問題，加之施工技術(shù)簡單、施工質(zhì)量管理滯后等因素致使剛性連接本身存在很多缺陷裂隙，成為防滲工程潛在的滲漏通道或安全隱患，直接影響著渠道防滲工程功能的發(fā)揮和經(jīng)濟效益的實現(xiàn)。然而，目前國內(nèi)外對這類工程滲漏問題精細化研究成果的報道尚不多見，隨著水資源高效利用與灌溉水精細化分配要求的提出，對該問題的準確評價與計算成為亟待研究的課題。

1 渠道滲漏損失評估技術(shù)研究進展

渠道滲漏可以從滲漏位置、滲漏量及滲透強度入手進行評析。對于滲漏位置，國內(nèi)外先后采用過同位素示蹤技術(shù)[1]、地球物理技術(shù)和熱紅外影像以及綜合使用兩種技術(shù)的監(jiān)測形式[2-3]，機載遙感技術(shù)[4]等監(jiān)測技術(shù)對有關(guān)灌區(qū)輸配水渠道的滲漏情況成功實施監(jiān)測，但是這些先進的技術(shù)只能對滲漏位置和滲透性不同的區(qū)域進行定性分析，目前在工程界尚未見定量化監(jiān)測評估滲漏量的有關(guān)報道。在滲漏量及滲透強度計算方法評析方面，目前主要可分為現(xiàn)場試驗法、經(jīng)驗公式法、解析方法和數(shù)值模擬方法等幾種評估形式[5- 6]。其中，現(xiàn)場試驗方法原理簡單且直接，在我國現(xiàn)行的GB50600—2010《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中推薦使用靜水法和動水法進行渠道滲漏測驗[7]。但各種現(xiàn)場試驗方法都有其局限性，且不能用于渠道規(guī)劃設(shè)計階段對混凝土襯砌渠道剛性連接缺陷裂隙滲漏損失進行估算。經(jīng)驗公式法、解析法及數(shù)值模擬方法雖然能夠克服現(xiàn)場試驗方法的不足，但目前關(guān)于這方面研究成果及工程資料積累較少，利用此類方法進行襯砌渠道缺陷滲漏定量評析時存在一定難度。

本文在裂隙滲流立方體定理基礎(chǔ)上提出的裂隙滲流函數(shù)的設(shè)想，以局部滲漏損失計算為目標，克服當前大部分評估理論中平均思想不能反映防滲襯砌渠道滲漏損失發(fā)生位置的不足。

2 混凝土襯砌渠道剛性連接缺陷裂隙滲漏損失評估

完整無損的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)被認為是幾乎不透水的，滲流主要通過襯砌結(jié)構(gòu)剛性連接及其本身存在的缺陷造成的。

圖1 常見的剛性連接方式及缺陷特征

2.1 U形混凝土板襯砌與砂漿剛性連接結(jié)構(gòu)及缺陷分析

根據(jù)對寧夏引黃灌區(qū)部分地區(qū)的實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)寧夏引黃灌區(qū)大部分支斗級渠系防滲襯砌所采用的U形混凝土板襯砌及砂漿剛性連接結(jié)構(gòu)均存在結(jié)構(gòu)性缺陷裂隙。例如，當年新修的許多小型渠道，經(jīng)過春灌、冬灌輸水后，剛性連接存在明顯缺陷裂隙，絕大多數(shù)剛性連接處有滲漏水通道，其中在取水口附近的襯砌段滲漏比較嚴重，有的甚至直接沖毀渠堤。在更早以前建設(shè)的工程中，剛性連接處則存在更多滲漏通道，且在凍融荷載、渠基土不均勻沉降等因素條件下，襯砌結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)存在嚴重的斷裂、接縫錯位等問題。

渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)連接部位設(shè)計縫寬一般為5 cm，以便于填縫施工，填縫材料為M7.5或M10砂漿，施工工藝為甩填。由于這種施工方法技術(shù)簡單，普通工人一般每天可以填筑80～120 m，但這種施工方法粗糙，不能保證襯砌板連接縫填筑均勻、密實，容易形成潛在滲漏通道和工程隱患。圖1為常見的剛性連接方式及缺陷特征。圖1a所示的剛性接縫形式優(yōu)點在于能夠提高與襯砌板結(jié)合的整體性，可以達到同步變形的目的，同時在發(fā)生接縫滲漏時增加滲透路徑，一定程度上能減小滲透量，但是由于填縫材料與襯砌板的剛度存在數(shù)量級上的差距，在凍脹或沉降變形較大情況下，這種連接方式易在沿垂直其長度方向及交叉連接處發(fā)生斷裂，形成永久性滲水通道；圖1b所示的剛性接縫形式則可以克服沿垂直其長度方向斷裂的缺點，但是在接縫交匯處依然存在不協(xié)調(diào)變形的斷裂問題，使得這種連接方式不利于接縫與襯砌板整體作用的發(fā)揮，由于融沉不同步更易形成滲透通道，且此種結(jié)構(gòu)滲透路徑較短，不利于滲流量的控制。

2.2 混凝土板襯砌剛性連接缺陷滲漏損失計算

混凝土板襯砌剛性連接缺陷裂隙滲漏不同于多孔介質(zhì)滲流，且其界面不平整，故其滲漏量應(yīng)該按照裂隙滲流形式計算。本文基于如下假設(shè)并利用經(jīng)過C. Louis修正的巖體裂隙滲透立方體定理[8]對混凝土板襯砌剛性連接缺陷裂隙滲漏損失進行評估：①渠道輸水通過缺陷裂隙向外滲漏時，滿足達西定理；②渠道輸水時，水流為層流穩(wěn)定流狀態(tài)；③僅襯砌結(jié)構(gòu)表面的水層通過缺陷裂隙向渠外滲漏，且滲向襯砌板外的水能夠被渠床及渠堤土及時輸送走；④水體僅在重力作用下向渠外滲漏，水平方向在材料吸力作用下向外滲漏的水量可忽略不計。

沿渠道橫斷面在渠底取1 cm帶裂隙的研究單元體，如圖2所示。其滲漏損失

(1)

式中，q為單位長度滲漏流量，cm3/s；g為重力加速度，取980 cm/s2；b為缺陷裂隙的平均寬度，cm；J為水力坡度，基于假設(shè)，J=ΔH/L，其中，ΔH為滲流水頭，cm，L為滲透路徑的長度，cm；v為水的運動粘度，cm2/s，即水的動力粘度與同溫度下水密度ρ之比；Δ/b為裂隙界面的相對粗糙度。

圖2 剛性連接缺陷裂隙單元體

根據(jù)假設(shè)及實際設(shè)計情況，取ΔH=4 cm(此處取混凝土板的實際厚度)，L=4.2 cm(不包括裂隙界面粗糙所增加的滲透路徑)。寧夏地區(qū)春灌和冬灌一般在4月中旬和11月中旬進行，取10 ℃條件下水的動力粘度(1.307 7×10-3N·s/m2)和密度(0.997 g/cm3)，計算得，J=40/42=0.952 4；v=0.010 802 cm2/s。假設(shè)經(jīng)過N次凍融循環(huán)后，剛性連接的缺陷性裂縫平均為0.05 cm，即b=0.05 cm，裂隙表面的相對粗糙度Δ/b取為0.2，代入式(1)，計算得q=0.71 cm3/s。

某灌溉渠道過水斷面示意如圖3所示。其設(shè)計流量為1.3 m3/s，設(shè)計過水斷面面積為1.1 m2，濕周為3.45 m，水面寬度B為0.8 m，設(shè)計水深H為0.75 m。根據(jù)現(xiàn)行的GB50600—2010《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中采用的滲漏損失計算的方法，渠道采用預(yù)制鋪砌的形式。

(2)

圖3 某渠道過水斷面示意

根據(jù)假設(shè)及實際工程中預(yù)制的襯砌塊的縱向長度40 cm，連接縫寬5 cm，每公里約有2 223個連接縫，經(jīng)實地調(diào)查，在一個凍融循環(huán)后，有大約1%垂直渠道走向的剛性連接縫全部開裂，每個連接縫的等效滲漏長度為0.8 m(按單側(cè)通開水平投影等效處理)，按照修正的立方體定理計算得，每公里渠道長度上的日滲漏損失水量為5.39 m3。

2.3 剛性連接缺陷裂隙滲漏損失計算分析與討論

建立坐標系，Z軸正方向與渠道走向一致。當渠道的走向、坡降、設(shè)計流量確定之后，渠道中每個點的位置坐標都是唯一的確定的。

在利用修正的立方體滲流定理時，裂縫的寬度b、相對粗糙度Δ/b、水力坡度J都是其位置坐標的函數(shù)，且裂縫寬度與凍融循環(huán)的次數(shù)N有關(guān)，滲漏量與渠道輸水水深H有關(guān)，即b=f(x，y，z，N)，Δ/b=f(x，y，z)，J=f(x，y，z)。在這些參數(shù)確定之后，就可以求出點(x，y，z)處的單位時間內(nèi)的滲漏量q(x，y，z，N，H)。在此基礎(chǔ)上，沿著裂縫開展的方向(即裂縫的長度L)進行積分 ，即可得所求剛性連接缺陷裂隙滲流函數(shù)關(guān)系Qi，即

(3)

根據(jù)實際工程中渠道的長度及裂縫出現(xiàn)的次數(shù)N，求出總的滲漏損失水量Q，即

(4)

在假設(shè)前提下，忽略了時間因素對結(jié)構(gòu)裂隙的滲透強度的影響。實際上渠基土的滲透能力i(t)是有一定限度的，且與時間有著密切的關(guān)系，Horton入滲模型就是基于防滲措施下渠道的滲漏強度與時間的擬合關(guān)系曲線提出來的。因此，在計算裂隙滲漏量時，必須考慮滲漏發(fā)生的時間點，從而確定是否考慮回水頂托作用的影響。實際輸水渠道中的水壓力對裂隙滲透強度的影響也必須根據(jù)工程情況進行合理考慮的。

2.4 利用裂隙滲流公式評估剛性連接缺陷裂隙滲漏損失的優(yōu)點

(1)在有較充分的工程資料積累條件下，利用裂隙滲流公式可以實現(xiàn)滲漏損失的精準化評估。在設(shè)計階段，預(yù)測可能出現(xiàn)滲漏比較嚴重的缺陷位置，并通過改進設(shè)計、施工、管理方法進行積極預(yù)防；通過技術(shù)手段，把建立于工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上的裂隙滲流函數(shù)科技化，結(jié)合其他的解析理論、數(shù)值模擬、遙感紅外監(jiān)測技術(shù)等方法，較易實現(xiàn)對渠道輸水工程中滲漏損失狀況實施高效、便捷、快速、精準化的監(jiān)測。

(2)裂隙滲流計算函數(shù)是從局部缺陷考慮滲漏損失的，從而克服了其他滲漏損失評估方法中平均思想的缺陷，有利于渠道襯砌缺陷的維修與防治。并且這種局部滲漏損失評估方法，能更好地為工程局部維護服務(wù)，為改進連接形式、連接材料以及連接方法提供理論支撐。

未來水資源利用將向精細化發(fā)展，滲透損失研究也將向精準化的方向發(fā)展。隨著監(jiān)測技術(shù)地不斷發(fā)展，在今后的工程實踐中，能夠積累并綜合分析相關(guān)工程實例，為混凝土襯砌渠道剛性連接缺陷裂隙滲漏損失評估時相關(guān)參數(shù)的獲取提供參考依據(jù)。

3 求解裂隙滲流函數(shù) Qi的邊界條件及參數(shù)確定方法討論

3.1 邊界條件確定

在滿足設(shè)計要求情況下，認為未經(jīng)過凍融作用的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)及其剛性連接均是不發(fā)生滲漏的，即當N=0時，Qi=0；假設(shè)渠道襯砌結(jié)構(gòu)在其設(shè)計使用壽命(預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)一般在10～20年，此處取為15年)結(jié)束時，完全失去防滲作用，渠道相當于一般土渠，根據(jù)中國的相關(guān)統(tǒng)計資料，單級渠道水的未利用系數(shù)約為0.1，即當N=15時，Qi=0.1Q設(shè)計；當H=0(即渠道停水)時，Qi=0，還有入滲發(fā)生的時間條件。

3.2 參數(shù)確定方法分析與探討

在利用裂隙滲流函數(shù)Qi評估剛性連接缺陷裂隙滲漏過程中，裂隙的寬度b、相對粗糙度Δ/b、水力坡度J是最為關(guān)鍵的三個參數(shù)，確定的科學與否將直接影響著評估結(jié)果的正確性與準確性。根據(jù)滲流公式應(yīng)用對象的特殊性，并結(jié)合目前巖體滲流參數(shù)確定方法，適合于混凝土襯砌剛性連接缺陷性裂隙滲漏評估中參數(shù)確定的方法有：

(1)利用精密觀測儀器，對渠道襯砌結(jié)構(gòu)剛性連接缺陷裂隙進行抽樣觀測，通過綜合分析，獲得裂隙寬度b的工程經(jīng)驗取值；對剛性連接缺陷取樣，在實驗室通過電子顯微鏡等微觀觀測儀器，測定其裂隙表面的相對粗糙度Δ/b的工程經(jīng)驗值以及與水力坡度J有關(guān)的滲透路徑。通過大量的工程抽樣觀測數(shù)據(jù)分析，確定不同條件下，利用裂隙滲流函數(shù)估算剛性連接缺陷裂隙滲漏量時各參數(shù)的合理取值范圍。

(2)對于剛性連接缺陷性裂隙來說，襯砌結(jié)構(gòu)與裂隙之間的水體交互可以忽略不計，即沿Z向的滲透率Kz為0；其滲流主要取決于缺陷裂隙的空間結(jié)構(gòu)(如裂隙的走向，空間大小)和裂隙自身的特征參數(shù)(如滲流通道的寬度、張開度和充填情況等因素)[9]。首先通過電子顯示儀器對裂隙走向，空間大小以及裂隙寬度b進行觀測，再利用現(xiàn)場自由滲水試驗，測定出單位時間內(nèi)通過選定缺陷裂隙滲漏的水量，最后反算推導(dǎo)出缺陷裂隙面的相對粗糙度Δ/b值。通過抽樣現(xiàn)場試驗法，積累計算不同缺陷裂隙的滲漏量的相關(guān)參數(shù)，最終通過綜合分析，獲得待定各參數(shù)的合理取值域。

(3)利用室內(nèi)模擬實驗的方法，獲取剛性連接缺陷裂隙滲漏損失各參數(shù)值。模型實驗中襯砌結(jié)構(gòu)采用工程中所應(yīng)用的預(yù)制混凝土襯砌體，剛性連接與襯砌體之間分別預(yù)留2 mm左右的縫隙，采用聚酯樹脂填縫，主要是為了利用在液態(tài)樹脂中加上過量的催化劑后發(fā)生放熱反映能夠產(chǎn)生8～20 mm半徑的裂隙來模擬凍融作用下剛性連接所出現(xiàn)的裂隙[10]，并通水觀測其滲漏量。之后采用可視化的精密觀測儀器對裂隙的特征參數(shù)(b、Δ/b以及J)進行觀測，利用裂隙滲流公式推算滲漏量，已相互驗證其所獲結(jié)果的準確性。

此外，裂隙滲透張量理論也可以用于剛性連接缺陷裂隙滲透相關(guān)參數(shù)的確定，在利用過程中，滲透性的各向異性表達時，有一個方向的滲透系數(shù)為0。

4 結(jié) 論

(1)從實際工程破壞的特征及裂隙產(chǎn)生位置基本一致可以看出，當前季凍區(qū)渠道防滲襯砌結(jié)構(gòu)剛性連接在設(shè)計、材料、施工等方面還存在較多問題，不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)田水利設(shè)施發(fā)展的需求。

(2)規(guī)范法計算過程僅能反映單位長度渠段上的平均滲漏情況，而本文提出裂隙滲流函數(shù)方法考慮了混凝土襯砌渠道滲漏水位置這一關(guān)鍵因素。

(3)裂隙滲流計算函數(shù)目前還需進一步研究確定，但可以預(yù)計，此方法的實現(xiàn)不但可以在設(shè)計規(guī)劃階段進行滲漏預(yù)測，施工階段對關(guān)鍵部位進行重點控制，而且在渠道運行階段，可以結(jié)合其他監(jiān)測技術(shù)對滲漏位置及滲漏量實現(xiàn)高效、精準、快速甚至可視化監(jiān)測。

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