王景立，孫佳，張航，孟憲東，吳世懿，馮偉志

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，長春市，130118；2.中科佰澳格霖農(nóng)業(yè)有限公司，吉林白城，137000）

0 引言

東北蘇打鹽堿地水稻種植輸水方式以渠道輸水為主，渠道的形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)渠水利用率影響較大。東北地區(qū)冬季寒冷，渠道凍脹性破壞普遍存在，既縮短了其使用壽命，也增加了維護(hù)成本。因此，渠道材料選取對(duì)渠水利用率影響更為顯著。

國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者在輸水渠道防滲方面早有研究，顧喜貴[1]，隋保生[2]，許強(qiáng)等[3]應(yīng)用有限元軟件建立數(shù)值模型，為探討渠道滲漏特性及襯砌結(jié)構(gòu)提供參考。Rantz[4]提供了測量渠道滲漏量的方法，驗(yàn)證了動(dòng)水法測滲的準(zhǔn)確性。Osman[5]計(jì)算河渠滲漏模型后，通過對(duì)改進(jìn)MODFLOW模型中的公式，得到能夠求得各種復(fù)雜條件的河渠滲漏量模型。竇寶松等[6]對(duì)土工合成材料進(jìn)行防滲漏試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)土工膜防滲性能優(yōu)良，但土工膜發(fā)生破損后，滲漏到膜內(nèi)的水不易排出。王黎軍等[7]對(duì)W-OH新型防滲材料進(jìn)行研究，通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和野外應(yīng)用實(shí)例，得出W-OH溶液可以起到很好的防滲和防凍脹效果。鄭建軍等[8]在對(duì)聚丙烯高纖維材料在渠道防滲研究中發(fā)現(xiàn)，混凝土渠中摻入聚丙烯高纖維材料，能夠提高渠道防滲能力。閆長城等[9]通過有限元軟件對(duì)玻璃鋼渠道溫度場、變形場及應(yīng)力場研究發(fā)現(xiàn)，玻璃鋼渠襯砌可以提高防滲和抗凍脹能力。王英浩等[10]研究發(fā)現(xiàn)，U型玻璃鋼渠凍脹不均勻程度小，且玻璃鋼材料具有良好的防滲抗凍脹效果與適應(yīng)變形能力。程傳勝等[11]研究發(fā)現(xiàn)玻璃鋼渠具有很強(qiáng)的變形能力，可很大程度的減小凍脹破壞。目前，輸水渠道以混凝土渠道為主，在使用過程中輸水弊端較多[12-13]。本文結(jié)合該試驗(yàn)項(xiàng)目利用有限元進(jìn)行滲流模擬及開展野外試驗(yàn)，測量混凝土渠及玻璃鋼渠的滲漏量，分析兩種渠道在輸水過程中的防滲性，從而為東北蘇打鹽堿地區(qū)輸水渠道防滲工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2021年5月在吉林省大安市海坨鄉(xiāng)蘇打鹽堿地水稻種植項(xiàng)目區(qū)開展試驗(yàn)，試驗(yàn)基地鋪設(shè)混凝土渠及玻璃鋼渠，混凝土渠為梯形渠，如圖1、圖2揚(yáng)示。渠底寬為0.8 m，邊坡系數(shù)m為1，渠道高度為0.8 m；玻璃鋼渠道為U型渠道，渠道高度為0.5 m，渠口寬度為0.9 m，弧底半徑R為0.4 m，外傾角為10°，玻璃鋼渠道厚度b為7 mm。

圖1 混凝土渠、玻璃鋼渠平面圖Fig.1 Concrete canal,FRP canal plan

圖2 混凝土渠、玻璃鋼渠現(xiàn)場圖Fig.2 Concrete canal,FRP canal site map

1.2 試驗(yàn)方法

因野外測滲試驗(yàn)不能毀壞原有輸水渠道測量其渠道向下2 m處土壤含水率，故野外測滲試驗(yàn)采用經(jīng)典動(dòng)水法測滲試驗(yàn)，以渠道的流量損失為依據(jù)，在春灌初期對(duì)混凝土渠及玻璃鋼渠開展試驗(yàn)研究，試驗(yàn)渠段取1 000 m，嚴(yán)格依照《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范GB50600—2010》[14]開展動(dòng)水法測定渠道輸水損失。動(dòng)水法是渠道不停水且測流上下兩斷面之間分水口均關(guān)閉的情況下觀測流量損失[15]的一種試驗(yàn)方法，即根據(jù)渠道首尾流量差確定輸水損失，它不改變渠道的運(yùn)行規(guī)則，可直接反映流量、流速、水位對(duì)輸水損失的影響。使用流速儀（LS1206型旋槳流速儀）按照一點(diǎn)法[16]進(jìn)行流速測量，觀測位置為斷面中心，重復(fù)測量5次。本次試驗(yàn)揚(yáng)計(jì)算的輸水損失主要是滲水損失。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)渠段選擇

根據(jù)規(guī)范要求，觀測斷面選擇在渠道的順直段，渠道的順直段長度不小于渠寬的10倍，水流應(yīng)均勻，并無旋渦和回流。

1.3.2 測量點(diǎn)及試驗(yàn)設(shè)備

沿渠段每隔100 m設(shè)觀測點(diǎn)，即混凝土渠及玻璃鋼渠觀測渠段各取10個(gè)觀測點(diǎn)。測量點(diǎn)渠道水深用直尺測量，尺子底部裝有起穩(wěn)定作用的底座，并能夠保證測驗(yàn)期間直尺不移位、不擺動(dòng)。采用水準(zhǔn)儀測定0點(diǎn)高程，使得水尺最低端在每一處測量點(diǎn)測量時(shí)均處于同一高程，最小刻度為mm。測量點(diǎn)流速用便攜式流速儀測量，其工作原理為：當(dāng)水流作用到儀器感應(yīng)元件旋漿時(shí)，旋漿產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水流速度快慢變化旋漿轉(zhuǎn)速也隨著變化。將旋轉(zhuǎn)式傳感器放入水中，控制旋漿處于渠道水深2/5處，每點(diǎn)觀測時(shí)間不小于30 s。

1.4 計(jì)算公式

利用典型渠段測量的流量進(jìn)行渠道輸水損失測定，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算相應(yīng)的滲流強(qiáng)度及渠段水利用系數(shù)。滲漏強(qiáng)度以及試驗(yàn)渠段水利用系數(shù)計(jì)算公式

式中：σ——單位長度渠道輸水損失系數(shù)，km-1；

QF——測驗(yàn)段滲漏強(qiáng)度，m3/（m2·s）；

Q首——渠道試驗(yàn)段進(jìn)口斷面流量，m3/s；

Q尾——渠道試驗(yàn)段出口斷面流量，m3/s；

L——渠道試驗(yàn)段長度，m；

α——試驗(yàn)渠段水利用系數(shù)。

2 渠道滲流計(jì)算理論與模型建立

2.1 計(jì)算理論

在大型灌區(qū)中，各級(jí)渠道輸水量基本恒定符合達(dá)西定律的一般規(guī)律，即

式中:kj——滲透系數(shù)；

β——參量，β=1～1.1時(shí)為層流，β=2時(shí)為紊流，β=1.1～1.85時(shí)為過渡流態(tài)。

有限元數(shù)值試驗(yàn)方是將渠道滲漏問題轉(zhuǎn)化為二維滲流問題，基于求解滲流微分方程，進(jìn)而探討渠道內(nèi)滲漏狀態(tài)，在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)式（5），式（6）可得渠道內(nèi)穩(wěn)定滲流微分方程及邊界條件式（7），即

式中：vx、vy——x、y方向的滲流流速，m/d；

Kx、Ky——x、y方向的滲透系數(shù)，m/s；

H——水頭，m；

τ1、τ2——條件邊界；

q——流量，m3/s。

有限元數(shù)值分析利用泛函分析手段，求解函數(shù)在流域D內(nèi)的極值問題，即對(duì)式（8）求極值。

2.2 模型建立

模型以大安市海坨鄉(xiāng)蘇打鹽堿地水稻種植區(qū)輸水渠道為原型，模型下邊界為渠坡板頂部向下取2 m，兩側(cè)邊界為渠坡板左右各取1.5 m，幾何模型的建立依據(jù)點(diǎn)、線、面的順序開展，施加渠道排水邊界及水頭壓力等。渠道滲透系數(shù)見表1，有限元模型如圖3揚(yáng)示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

圖3 混凝土渠及玻璃鋼渠有限元模型Fig.3 Finite element model of concrete canal and FRP canal

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 混凝土渠試驗(yàn)結(jié)果

在混凝土渠試驗(yàn)渠段開展野外測滲試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表2揚(yáng)示。

表2 混凝土渠流量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Concrete canal flow statistics table

渠道水流速度由0.372 m/s降低至0.316 m/s，渠道水深由58 cm降低至56.2 cm，渠道斷面面積由0.800 m2降低至0.765 m2，渠道內(nèi)流量隨之減小，渠首流量0.298 m3/s，渠末端流量最小為0.242 m3/s。

在混凝土渠道測滲試驗(yàn)中，渠道水深呈下降趨勢，渠末渠道水深相對(duì)于渠首降低3.1%，渠道斷面面積也呈逐漸呈下降趨勢，渠末端斷面面積相對(duì)于渠首降低4.4%，渠道流速逐漸減小，渠末流速相較于渠首降低15.1%，流量下降速度先快后慢，渠首流量0.298 m3/s，渠末端流量0.242 m3/s，流量降低0.056 m3/s，渠末端流量相對(duì)渠首降低18.8%，試驗(yàn)渠段水利用系數(shù)為81.2%，流量損失較大，渠道滲漏明顯。

3.1.2 玻璃鋼渠試驗(yàn)結(jié)果

在玻璃鋼渠試驗(yàn)渠段開展野外測滲試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，渠道水流速由0.365 m/s降低至0.354 m/s，渠道水深由28 cm降低至27 cm，渠道內(nèi)流量基本相等，渠首流量0.056 m3/s，渠末端流量最小為0.053 m3/s。

表3 玻璃鋼渠流量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 FRP canal flow statistics table

在玻璃鋼渠道測滲試驗(yàn)中，渠道水深僅降低1 cm，渠末端斷面面積相對(duì)于渠首降低4%，渠道水流速變化平穩(wěn)，試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出渠道流量趨于平穩(wěn)，渠道流量僅損失0.003 m3/s，相對(duì)于試驗(yàn)段首流量降低約5%，試驗(yàn)渠段水利用系數(shù)為95%，流量損失較小。

3.2 渠道滲漏強(qiáng)度對(duì)比分析

由表4可知，混凝土渠道滲流強(qiáng)度明顯高于玻璃鋼渠，混凝渠渠單位長度輸水能力明顯小于玻璃鋼渠，玻璃鋼渠滲漏強(qiáng)渠極小僅為0.018 m3/（m2·s），說明玻璃鋼渠道在蘇打鹽堿地輸水效果良好。

表4 渠道滲漏強(qiáng)度參數(shù)Tab.4 Canal leakage intensity parameter

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)表明，混凝土渠道流量在試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)逐漸下降，玻璃鋼渠道流量趨于平穩(wěn)?；炷燎垒斔畵p失系數(shù)為0.188，玻璃鋼渠道輸水損失系數(shù)為0.05，玻璃鋼渠滲漏強(qiáng)度為混凝土渠的四分之一。

分析其主要原因主要包括以下幾點(diǎn)：

1)混凝土渠道經(jīng)長時(shí)間在野外風(fēng)吹日曬出現(xiàn)老化現(xiàn)象，并且冬季會(huì)出現(xiàn)凍脹破壞。

2)混凝土渠摩擦系數(shù)較大，在初次輸水過程中渠道表面出現(xiàn)濕潤作用。并且混凝土渠使用時(shí)間越久，其出現(xiàn)滲漏情況會(huì)越來越明顯；而玻璃鋼渠道克服了混凝土渠道的缺點(diǎn)，故渠道流量損失明顯低于混凝土渠道。顯然玻璃鋼渠道在東北蘇打鹽堿地渠道輸水防滲能力明顯優(yōu)于混凝土渠道，且渠道水利用系數(shù)高，有很好的防滲效果。

3.4 模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比

為分析評(píng)估有限元模擬的精確度，使用歸一化均方誤差(Normalized mean squared error，NMSE)指標(biāo)［17］進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)NMSE值小于0.25可認(rèn)為有限元的模擬精確度是合理的［18］。

式中：Ev——模擬值與實(shí)測值之間的相對(duì)誤差；

Cs——模擬值；

Cm——實(shí)測值；

Csm——模擬值的平均值；

Com——實(shí)測值的平均值；

n——實(shí)測采樣個(gè)數(shù)。

圖4和圖5為模擬值與實(shí)測值的對(duì)比結(jié)果。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，混凝土渠和玻璃鋼渠流量損失的模擬值與實(shí)測值的相對(duì)誤差為1.08%～7.98%和6.07%～21.67%。

圖4 混凝土渠模擬值與實(shí)測值對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated and measured values of concrete drains

圖5 玻璃鋼渠模擬值與實(shí)測值對(duì)比Fig.5 Comparison of simulated and measured values of FRP drains

結(jié)果表明，混凝土渠的模擬值與實(shí)測值存在誤差，因?yàn)槟M狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)模擬，且為固定流速，但是實(shí)際渠道的流速值不是單一穩(wěn)定的，并且實(shí)際的土壤情況也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，其中溫度的變化也會(huì)影響混凝土渠的滲流情況［19］。

玻璃鋼渠的模擬值相對(duì)于實(shí)測值整體偏小，主要是因?yàn)樵谀M過程中考慮到玻璃鋼渠銜接處的數(shù)量是有限的，而玻璃鋼渠道的實(shí)際縫隙數(shù)量是無法準(zhǔn)確得知，從而導(dǎo)致了模擬渠道流量損失整體小于實(shí)際測量值。

玻璃鋼渠的相對(duì)誤差整體大于混凝土渠，主要是因?yàn)椴Ａт撉旧頋B流量極小，導(dǎo)致模擬值產(chǎn)生的誤差對(duì)相對(duì)誤差的計(jì)算影響較混凝土渠影響更大，然而模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比的NMSE均小于0.25，計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差在合理的范圍內(nèi)，模擬結(jié)果較可靠，由野外測滲試驗(yàn)可知混凝土渠流量損失較大，玻璃鋼渠流量損失小，試驗(yàn)結(jié)果與有限元滲流模擬分析結(jié)論一致，即混凝土渠滲流大于玻璃鋼渠。說明該模型可準(zhǔn)確揭示混凝土渠與玻璃鋼渠的滲流情況。

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

為研究不同材料的輸水渠道在東北蘇打鹽堿地防滲效果，分別模擬出混凝土渠及玻璃鋼渠滲流情況。圖6～圖9為總水頭云圖、壓力水頭云圖。

圖6 混凝土渠總水頭等線圖、壓力水頭等線圖Fig.6 Concrete canal total head,pressure head isoline diagram

如圖6、圖7揚(yáng)示，混凝土渠底總水頭最大，渠兩側(cè)水頭逐漸減小，渠底壓力水頭最大，可知混凝土渠底部滲流較大，滲流呈現(xiàn)底部較大向渠道兩側(cè)擴(kuò)散的規(guī)律，兩側(cè)滲流較小，形成了較大的滲流場；如圖8、圖9揚(yáng)示，玻璃鋼渠部底及渠道兩側(cè)水頭損失均為零，壓力水頭云圖表明渠底部及渠道兩側(cè)壓力水頭很小趨于零，可知玻璃鋼渠不存在滲流場。模擬數(shù)值結(jié)果表明玻璃鋼渠道在渠道輸水中輸水效率高于混凝土渠，可以達(dá)到很好的防滲效果。通過對(duì)渠道有限元滲流模擬分析，可知玻璃鋼渠道輸水防滲效果好于混凝土渠。

圖7 混凝土渠總水頭云圖、壓力水頭云圖Fig.7 Concrete canal total head and pressure head clouds

圖8 玻璃鋼渠總水頭等線圖、壓力水頭等線圖Fig.8 FRP canal total head,pressure head isoline diagram

圖9 玻璃鋼渠總水頭云圖、壓力水頭云圖Fig.9 FRP canal total head and pressure head clouds

3.6 兩種渠道的蘇打鹽堿地適用性對(duì)比分析

玻璃鋼渠道是以合成樹脂為基體，玻璃纖維增強(qiáng)材料制作而成，其特點(diǎn)主要有[20-21]：質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕、抗紫外線性更高，使用壽命更長，野外裸露應(yīng)用預(yù)計(jì)可達(dá)20年以上，不會(huì)因?yàn)閮雒浂霈F(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，質(zhì)量輕快便捷，相對(duì)于普通渠道更適于施工及運(yùn)輸，更適合用于蘇打鹽堿地渠道輸水要求，如表5揚(yáng)示。

表5 混凝土渠及玻璃鋼渠特性對(duì)比分析Tab.5 Comparative analysis of the characteristics of concrete and FRP drains

假定不同渠道均按1 km計(jì)算，對(duì)比分析相同條件下玻璃鋼渠道與混凝土渠道的投資成本，在忽略資金的時(shí)間價(jià)值前提下，依據(jù)目前大安市海坨鄉(xiāng)蘇打鹽堿地的渠道使用情況，混凝土渠道和玻璃鋼渠道分別按10年、20年使用壽命計(jì)算，混凝土渠道和玻璃鋼渠道的年維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)分別按工程投資的2.5%、0.5%計(jì)算。蘇打鹽堿地混凝土渠道的拆除重建費(fèi)包含舊混凝土拆除費(fèi)、重建費(fèi)耕地補(bǔ)償費(fèi)以及保溫措施費(fèi)。

由表6可知，在計(jì)算周期內(nèi)，玻璃鋼渠道的綜合投資小于混凝土渠道的綜合投資，并且混凝土渠道滲漏損失嚴(yán)重，需要防凍脹保護(hù)，而玻璃鋼渠道可減少拆除重建費(fèi)與保溫措施費(fèi)用，隨著水資源需求量的急劇增大，玻璃鋼渠道具有明顯的優(yōu)勢。

表6 混凝土渠及玻璃鋼渠投資成本對(duì)比分析Tab.6 Comparative analysis of investment cost of concrete and FRP drains 萬元

4 結(jié)論

1）通過混凝土渠及玻璃鋼渠在東北蘇打鹽堿地進(jìn)行測滲試驗(yàn)，玻璃鋼渠輸水損失及滲漏強(qiáng)度均有明顯優(yōu)勢，玻璃鋼渠較混凝土渠輸水損失利用系數(shù)降低73.4%，滲漏強(qiáng)度僅為混凝土渠的四分之一。

2）通過對(duì)混凝土渠及玻璃鋼渠進(jìn)行有限元滲流分析，可知玻璃鋼渠道防滲效果好。有限元的模擬值與實(shí)測值比較接近，相對(duì)誤差及NMSE在可接受的范圍，因此采用該模型來模擬混凝土渠和玻璃鋼渠滲流是可行的。

混凝土渠的模擬值與實(shí)測值相對(duì)誤差為1.08%～7.98%，平均相對(duì)誤差為4.05%。玻璃鋼渠的相對(duì)誤差為6.07%～21.67%，平均相對(duì)誤差為11.6%?；炷燎B流底部較大兩側(cè)滲流較小，形成了較大的滲流場，而玻璃鋼渠滲流小，玻璃鋼渠道防滲效果明顯優(yōu)于混凝土渠。

3）通過對(duì)兩種渠道的蘇打鹽堿地適用性對(duì)比分析，玻璃鋼渠道各項(xiàng)特性均更滿足蘇打鹽堿地的使用要求，并且通過對(duì)兩種渠道投資成本對(duì)比分析可知，玻璃鋼渠的綜合投資小于混凝土渠。

綜上分析可知，通過對(duì)混凝土渠及玻璃鋼渠滲流對(duì)比及野外測滲試驗(yàn)，分析兩渠道輸水狀態(tài)下滲漏情況，可知玻璃鋼渠道具備良好抗?jié)B性，優(yōu)于普通混混凝土渠道，玻璃鋼渠更適用于蘇打鹽堿地特性，在東北蘇打鹽堿地具有明顯優(yōu)勢，提高渠系水利用系數(shù)，為東北蘇打鹽堿地區(qū)輸水渠道提供新選擇。