邢 瑋,朱 銳,2,3,張 晨,王 羿,周 峰

(1.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 江蘇 南京 211800;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038;3.陸軍工程大學(xué) 土木工程博士后科研流動(dòng)站,江蘇 南京 210007;4.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所,江蘇 南京 210024)

長(zhǎng)距離調(diào)水工程是實(shí)現(xiàn)國(guó)家水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略舉措[1-2],基于此,國(guó)家相繼修建了一批長(zhǎng)距離調(diào)水工程,如南水北調(diào)東線工程、南水北調(diào)中線工程等,由此顯著促進(jìn)了沿線城鎮(zhèn)的工農(nóng)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。輸水渠道則是長(zhǎng)距離調(diào)水工程的主要建筑物。目前,我國(guó)投入運(yùn)行的各類(lèi)輸水渠道總長(zhǎng)度約為450萬(wàn)km,而渠系水利用系數(shù)僅為50%左右[3],也就是將近一半的水損失于輸送過(guò)程中,造成了我國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程中水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象。

水-熱耦合作用是現(xiàn)場(chǎng)供水渠道劣化失穩(wěn)的重要因素。在此背景下,諸多學(xué)者開(kāi)展了相應(yīng)研究,取得了一系列研究成果[4-6]。典型如:文獻(xiàn)[7-10]中分別開(kāi)展了考慮熱濕變形耦合、晝夜溫度變化和太陽(yáng)能輻射的混凝土襯砌渠道凍脹變形數(shù)值模擬研究,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致;郝晉彩等[11]以黑龍江蛤蟆通灌區(qū)總干渠為研究對(duì)象,分析了不同保溫措施、邊坡系數(shù)對(duì)梯形襯砌渠道凍脹變形的影響,為我國(guó)北方地區(qū)梯形渠道的建設(shè)及維護(hù)提供依據(jù);劉旭東等[12]選取“適變斷面”渠道和山東省某弧形坡腳渠道為研究對(duì)象,對(duì)比分析了2種不同形式渠道的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形情況,發(fā)現(xiàn)“適變斷面”渠道具有較強(qiáng)的抗凍脹性能;閆長(zhǎng)城等[13]通過(guò)數(shù)值模擬的手段探索了玻璃鋼防滲技術(shù)用于渠道防災(zāi)方面的可行性,認(rèn)為玻璃鋼材料的抗凍脹性能優(yōu)于普通混凝土材料。上述研究在一定程度上揭示了季凍區(qū)渠道邊坡的孕災(zāi)機(jī)制,但更多關(guān)注溫度和凍脹量之間的相互變化,針對(duì)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)水熱特征以及渠道邊坡溫濕度場(chǎng)演化規(guī)律的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。

鑒于此,以北疆典型供水渠道為研究對(duì)象,依據(jù)建立的渠道典型斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果,系統(tǒng)分析供水渠道的溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)特征;在此基礎(chǔ)上,通過(guò)數(shù)值軟件計(jì)算濕干凍融耦合循環(huán)下供水渠道的水熱演化規(guī)律,探討不同運(yùn)行年份對(duì)渠道水熱特性的影響,以期為高寒地區(qū)長(zhǎng)距離調(diào)水工程建設(shè)及運(yùn)維提供科學(xué)依據(jù)。

1 供水渠道概況

輸水渠道位于新疆維吾爾自治區(qū)北部阿勒泰地區(qū),如圖1所示。該地區(qū)地處歐亞大陸腹地,是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶北通道和新疆參與中蒙俄經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)。同時(shí),阿勒泰地區(qū)的緯度較高(45°00′00″—49°10′45″),屬典型的溫帶大陸性寒冷氣候,其特點(diǎn)是夏季干熱(極端高溫40 ℃以上),冬季嚴(yán)寒(極端低溫-50 ℃以下),平原地區(qū)降水量少、蒸發(fā)量大[14-15]。

圖1 輸水渠道現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.1 On-site situation of canals

北疆供水渠道是兼顧沿線工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)和生態(tài)用水的跨流域調(diào)水工程。渠道設(shè)計(jì)高度為5 m,坡比為1∶2,以挖方和半挖半填為主。渠道投入運(yùn)行至今約20年,每年春季供水、秋季停水。渠道沿線每年均會(huì)發(fā)生不同程度的劣化問(wèn)題,造成每年實(shí)際供水時(shí)間相比于設(shè)計(jì)供水時(shí)間縮短了約30%,嚴(yán)重影響了渠道的正常運(yùn)行。截至2017年底,北疆供水渠道總干渠累計(jì)滑坡約28.5 km。對(duì)此,渠道建管單位采取換填、改擴(kuò)建、鋪設(shè)防滲膜等方式進(jìn)行治理,同時(shí)將部分渠道加高至7.5 m,上述措施在一定程度上提升了渠道供水能力、降低了災(zāi)變發(fā)生的頻率,特別是治理后的1～2年內(nèi)渠道災(zāi)變次數(shù)得到了有效的控制,但劣化致災(zāi)問(wèn)題并未得到根治,運(yùn)行一定時(shí)間后供水渠道仍不斷出現(xiàn)新的災(zāi)變,其根本原因在于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的水熱耦合作用[16]。

2 監(jiān)測(cè)布置與監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

為進(jìn)一步了解現(xiàn)場(chǎng)渠道的滲流特征和溫度特征,從而探究高寒區(qū)季節(jié)性供水渠道的劣化致災(zāi)機(jī)制,筆者課題組在渠道典型斷面(19+160)埋設(shè)了兼具測(cè)溫功能的滲壓計(jì),用于監(jiān)測(cè)渠基土中孔隙水壓力和溫度的變化情況。所選擇的斷面日照條件充足,附近的集水井設(shè)有220 V交流電,通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)傳輸信號(hào)較強(qiáng),具備實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。

所采用的滲壓計(jì)為VWP型振弦式滲壓計(jì)。VWP型振弦式滲壓計(jì)為全不銹鋼結(jié)構(gòu),適用于長(zhǎng)期埋設(shè)在水工結(jié)構(gòu)物及基土內(nèi)部,在量測(cè)結(jié)構(gòu)物或土體內(nèi)部孔隙(滲透)水壓力的同時(shí),也可同步反映埋設(shè)點(diǎn)的溫度。滲壓計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示,測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

表1 滲壓計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 傳感器布置(mm)Fig.2 Sensor arrangement (mm)

滲壓計(jì)的埋設(shè)工作主要包括鉆孔和滲壓計(jì)投放。鉆孔自渠頂往渠底進(jìn)行,孔徑為110 mm,渠坡鉆孔采用搭設(shè)鉆孔平臺(tái)的方式;滲壓計(jì)的投放步驟依次為傳感器浸泡排氣、安裝套管、初始讀數(shù)記錄、回填中砂(基于孔徑換算中砂用量)、投放傳感器、二次回填中砂、膨潤(rùn)土球封孔(膨潤(rùn)土高度大于1 m)、注水并回填。滲壓計(jì)埋設(shè)完畢后連接至MCU模塊,所采集的信號(hào)通過(guò)移動(dòng)GPRS通信信號(hào)傳輸至服務(wù)器中,再由計(jì)算機(jī)客戶(hù)端提取數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。在滲壓計(jì)埋設(shè)過(guò)程中,保持埋置深度在2 m以上,以避免基土的淺層凍結(jié)。傳感器埋設(shè)及MCU模塊安裝過(guò)程如圖3所示。

圖3 傳感器埋設(shè)及MCU模塊安裝過(guò)程Fig.3 Installation process of sensor and MCU module

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.2.1 溫度特征

圖4為渠基土溫度隨時(shí)間的變化曲線,橘色實(shí)線為監(jiān)測(cè)斷面渠道表面溫度。由圖4可以看出:渠基土溫度隨著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而產(chǎn)生顯著變化。在2017年11月7日至2018年11月7日期間,渠道表面溫度驟降時(shí),所有測(cè)點(diǎn)處的基土溫度均隨之下降,下降速率由于埋設(shè)深度及位置差異而不等。在2017年12月7日至2018年4月7日期間,渠道表面溫度均低于0 ℃,渠基土溫度因而進(jìn)一步地降低。測(cè)點(diǎn)1#處的傳感器溫度讀數(shù)自2018年2月7日起已低于0 ℃,最低達(dá)到-1.11 ℃,表明監(jiān)測(cè)斷面處渠底基土在2018年的最大凍結(jié)深度達(dá)到1.5 m以上。在2018年4月7日至2018年4月30日期間,渠道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度回升顯著,但此時(shí)渠基土溫度仍處于緩慢回升階段,溫度變化幅度較小。在2018年5月1日至2018年8月7日期間,渠道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度上升速率開(kāi)始逐漸變緩,渠基土的溫度則顯著上升。這主要是由于2018年5月1日渠道開(kāi)始通水,渠道內(nèi)水位逐漸上升導(dǎo)致部分渠水滲漏進(jìn)入基土中,水分的入滲使得渠基土的溫度變化速率增大。從測(cè)點(diǎn)處傳感器讀數(shù)響應(yīng)來(lái)看,距離渠道襯砌表面較近的測(cè)點(diǎn)1#、2#、5#處溫度均大幅增長(zhǎng),表明渠水入滲深度在2.5 m以上。在2018年8月7日至2018年11月7日期間,渠道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度逐漸下降,溫度平均下降速率達(dá)到0.3 ℃/d,渠基土的溫度變化一開(kāi)始并不顯著,從2018年9月中旬開(kāi)始下降。這主要是由于渠道滲漏造成渠道淺層基土處于飽和或接近飽和狀態(tài),水的比熱較大,故渠基土溫度一開(kāi)始并未隨現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的下降而降低。當(dāng)渠道于2018年9月14日停水后,渠基土的含水率逐漸降低,渠基土的溫度隨之開(kāi)始下降。值得注意的是,測(cè)點(diǎn)1#處的傳感器溫度讀數(shù)于9月中旬陡降,表明渠道淺層基土已處于非飽和狀態(tài)。

圖4 渠基土的溫度特征Fig.4 Temperature characteristics of canal foundation soil

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,渠基土在一年內(nèi)經(jīng)歷了顯著的降溫、升溫過(guò)程,淺層基土更是達(dá)到了負(fù)溫,經(jīng)歷了凍結(jié)過(guò)程和融化過(guò)程。一些較深測(cè)點(diǎn)處的傳感器溫度讀數(shù)雖未顯著低于0 ℃,但在淺層土體凍結(jié)過(guò)程中也產(chǎn)生了水分的遷移?？梢哉J(rèn)為渠基土隨著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化每年經(jīng)歷著往復(fù)的凍融循環(huán)過(guò)程。

2.2.2 滲流特征

圖5為渠基土中的孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線,監(jiān)測(cè)期間渠道經(jīng)歷了一次通、停水過(guò)程。由圖5可以看出:渠基土中的孔隙水壓力隨著渠道內(nèi)水位的升降而變化。在2017年11月7日至2018年2月7日期間,渠道處于停水期,渠基土中的孔隙水壓力仍呈下降的趨勢(shì),可以認(rèn)為渠基土處于非飽和狀態(tài)。在2018年2月7日至2018年4月30日期間,雖然渠道仍然處于停水期,渠基土中的孔隙水壓力卻產(chǎn)生了一定的增長(zhǎng)。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度較低,渠道淺層基土逐漸凍結(jié),造成了渠基土產(chǎn)生了凍脹變形,進(jìn)而導(dǎo)致土體中的孔隙水壓力略微增加。渠道于2018年5月1日開(kāi)始通水,渠基土中的孔隙水壓力因此急劇上升,直至2018年5月10日左右渠道內(nèi)水位不再上升,渠基土中的孔隙水壓力隨之逐漸穩(wěn)定。將各測(cè)點(diǎn)處的傳感器讀數(shù)與對(duì)應(yīng)的靜水壓力計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,均較為相符,表明以上測(cè)點(diǎn)處的渠基土均已達(dá)到飽和或接近飽和狀態(tài)。渠道于2018年9月14日開(kāi)始停水,停水過(guò)程持續(xù)了約15 d,可以看出渠基土中的孔隙水壓力隨著水位的降低而顯著下降,但此時(shí)渠基土中的孔隙水壓力仍近似等于相應(yīng)位置的靜水壓力計(jì)算值,故仍可認(rèn)為渠基土是接近飽和狀態(tài)。在2018年9月30日至2018年11月7日期間,渠道已處于停水期,渠道受現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力干燥的影響,渠基土中的含水率逐漸降低,導(dǎo)致孔隙水壓力逐漸消散,渠基土逐漸由接近飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)。

圖5 渠基土的滲流特征Fig.5 Seepage characteristics of canal foundation soil

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,由于渠道季節(jié)性運(yùn)行的特點(diǎn),渠基土中的孔隙水壓力在一年內(nèi)經(jīng)歷了顯著的升降過(guò)程。當(dāng)渠道運(yùn)行(供水期)時(shí),渠基土中的孔隙水壓力明顯增大,此時(shí)可以認(rèn)為渠基土由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡突蚪咏柡蜖顟B(tài);當(dāng)渠道未運(yùn)行(停水期)時(shí),渠基土中的孔隙水壓力則顯著降低,此時(shí)可以認(rèn)為渠基土由飽和或接近飽和狀態(tài)逐漸變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)。飽和-非飽和渠基土的轉(zhuǎn)換可以認(rèn)為是基土含水率的變化,造成渠基土隨著渠道每年的通、停水過(guò)程經(jīng)歷著往復(fù)的干濕循環(huán)過(guò)程。

2.2.3 濕干凍融耦合循環(huán)的劃分

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和監(jiān)測(cè)分析,渠基土每年隨著現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的變化經(jīng)歷往復(fù)的凍融循環(huán)過(guò)程,同時(shí)隨著渠道的通、停水過(guò)程經(jīng)歷往復(fù)的干濕循環(huán)過(guò)程?？紤]到渠道現(xiàn)場(chǎng)非單一的封閉系統(tǒng),而是復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合系統(tǒng),干濕交替、凍融循環(huán)的耦合作用造成了渠道的災(zāi)變?；谇垃F(xiàn)場(chǎng)的這種耦合作用較為復(fù)雜,實(shí)際研究過(guò)程中難以完全模擬,需要對(duì)這種復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖6為渠道沿線某氣象站觀測(cè)到的多年地表溫度分布。由圖6可知:以2014年4月25日至2015年4月25日為例,2014年4月25日至2014年9月14日為渠道通水期,由于渠道滲漏,渠基土處于濕潤(rùn)過(guò)程;2014年9月14日渠道進(jìn)入停水期,由于無(wú)外界水源補(bǔ)給,且地表溫度始終高于0 ℃(2014年9月14日至2014年11月11日),可以認(rèn)為期間渠基土經(jīng)歷了干燥過(guò)程;地表溫度于2014年11月11日完全降至0 ℃以下,一般認(rèn)為水的固液相變溫度為0 ℃,故可以認(rèn)為渠基土開(kāi)始了凍結(jié)過(guò)程;地表溫度于2015年3月21日升至0 ℃以上,此時(shí)渠道仍處于停水期,可以認(rèn)為渠基土開(kāi)始了融化過(guò)程。

圖6 濕干凍融的劃分Fig.6 Division of wetting-drying-freezing-thawing

綜上所述,渠基土多年來(lái)所經(jīng)歷的溫濕度變化過(guò)程可簡(jiǎn)化為濕潤(rùn)過(guò)程、干燥過(guò)程、凍結(jié)過(guò)程、融化過(guò)程的循環(huán),簡(jiǎn)稱(chēng)為濕干凍融耦合循環(huán)。自渠道投入運(yùn)行至今,渠基土經(jīng)歷上述往復(fù)的濕干凍融過(guò)程后產(chǎn)生劣化,導(dǎo)致土渠道邊坡的災(zāi)變。

3 試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)渠道周?chē)h(huán)境的作用造成了渠基土內(nèi)部溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的變化,由此常引起多孔介質(zhì)(渠基土)結(jié)構(gòu)變形和塑性破壞等,最終造成渠基膨脹土力學(xué)性能的損傷。在渠道凍脹過(guò)程中,渠基土發(fā)生變形并作用于渠道襯砌結(jié)構(gòu)上,引起襯砌結(jié)構(gòu)隆起和斷裂等行為;在渠道融沉過(guò)程中,渠基土發(fā)生塑性破壞,進(jìn)而使得襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑塌等行為。一系列渠道災(zāi)變行為是諸多因素交互作用、逐步累積的結(jié)果。鑒于此,基于凍土溫度傳導(dǎo)模型、水分遷移模型以及水-熱耦合聯(lián)系方程,建立了考慮水-熱耦合的供水渠道計(jì)算模型。

3.1 計(jì)算模型

渠道是線性工程,可以作為二維平面應(yīng)力問(wèn)題來(lái)研究。渠道橫斷面關(guān)于渠底中心是對(duì)稱(chēng)的,即選取渠道剖面的一半進(jìn)行建模,將渠底中心作為幾何原點(diǎn)(0,0),計(jì)算模型整體長(zhǎng)(x)為37.5 m,高(y)為15 m。其中渠道高度為5 m,坡比為1∶2,水位高度為4 m。在此基礎(chǔ)上,對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行材料分區(qū)和網(wǎng)格劃分,即渠基土采用實(shí)體單元、以四邊形映射方式創(chuàng)建網(wǎng)格,共構(gòu)建9 300個(gè)域單元和430個(gè)邊界元,最大單元大小不超過(guò)0.25 m,網(wǎng)格劃分情況如圖7(a)所示。

圖7 網(wǎng)格劃分及模型邊界Fig.7 Mesh generation and model size

在數(shù)值模擬過(guò)程中,所涉及的主要邊界條件為溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的周期性變化。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)渠道實(shí)際運(yùn)行情況與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),以1年(假定為360 d)為單個(gè)濕干凍融循環(huán)周期,設(shè)置邊界條件:① 將開(kāi)始供水作為周期的起點(diǎn),水位從起點(diǎn)開(kāi)始線性升高,經(jīng)過(guò)8 d上升到最高水位,根據(jù)渠道實(shí)際運(yùn)行情況,最高水位設(shè)為4 m;② 從第8天運(yùn)行至第130天,水位都維持在最高水位;③ 從第130天至第140天,水位從最高水位4 m降低到0 m;④溫度從起點(diǎn)開(kāi)始為10 ℃,到第60天達(dá)到最高溫度30 ℃,第195天下降到0 ℃,第255天下降到最低溫度-30 ℃,隨后于第325天回升至0 ℃,最終在第360天回升至10 ℃。在濕干凍融循環(huán)過(guò)程中,水分場(chǎng)和溫度場(chǎng)周期性變化的主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)如表2所示。

表2 溫濕度場(chǎng)周期性變化的主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)

圖7(b)為模型邊界示意圖。在水分邊界方面,由于渠道為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),A到G設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界,水分邊界施加于E到F再到G上,A到B、B到C均設(shè)為透水邊界,滲透系數(shù)依據(jù)土體實(shí)際飽和度和土-水特征曲線自動(dòng)取相應(yīng)數(shù)值;C到D、D到E則設(shè)為不透水邊界。在溫度邊界方面,溫度邊界施加于C到D到E到F到G上,A到G同樣設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界;A到B、B到C則設(shè)為隔熱邊界。水-熱耦合計(jì)算涉及渠基土基本參數(shù),基本參數(shù)取值參考文獻(xiàn)[17-18],部分力學(xué)性能參數(shù)依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定,如表3所示。

表3 渠基土基本計(jì)算參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 溫度特征

溫度場(chǎng)的變化是濕干凍融循環(huán)下渠道災(zāi)變的重要原因之一。因此,分別在每年的濕潤(rùn)階段(第90、450、810、1 270、1 530天)、干燥階段(第180、540、900、1 360、1 620天)、凍結(jié)階段(第270、630、990、1 450、1 710天)以及融化階段(第360、720、1 080、1 440、1 800天)觀察模型渠道溫度場(chǎng)的變化過(guò)程,分別如圖8和9所示。由圖8和9可以看出:在濕潤(rùn)階段,模型渠道的溫度持續(xù)升高,淺層基土最高溫度達(dá)到30 ℃;在干燥階段,模型渠道的溫度逐漸下降但仍高于0 ℃;在凍結(jié)階段,模型渠道的溫度自上而下開(kāi)始降低,最低達(dá)到-25 ℃;在融化階段,模型渠道的溫度開(kāi)始升高,除了自上而下的升溫過(guò)程,由模型渠道深部土體自下而上的溫度傳導(dǎo)也是淺層基土融化的重要原因,這也導(dǎo)致了前文所述的模型渠道淺層基土雙向融化現(xiàn)象。

圖8 渠基土溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化過(guò)程Fig.8 Process of canal foundation soil temperature variation with operation time

3.2.2 水分特征

為了更形象地展示模型渠道中水分入滲的情況,分別選取每年濕潤(rùn)階段的前一天(第0、360、720、1 080、1 440天)以及恒定水位運(yùn)行的最后一天(第130、490、850、1 210、1 570天)觀察模型渠道的飽和區(qū)分布情況,分別如圖10和11所示。由圖10和11可以看出:在第1年運(yùn)行過(guò)程中,濕潤(rùn)階段渠水的入滲使得模型渠道淺層土體達(dá)到飽和狀態(tài),并形成了一個(gè)飽和區(qū),飽和區(qū)的法向深度約為0.5～1.5 m。隨后,渠道依次經(jīng)歷干燥階段、凍結(jié)階段和融化階段,在這一過(guò)程中飽和區(qū)逐漸收縮,這一現(xiàn)象在渠坡處尤為明顯。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),恒定水位運(yùn)行時(shí)模型渠道飽和區(qū)逐漸增大并于運(yùn)行第3年后趨于穩(wěn)定,運(yùn)行5年后模型渠道飽和區(qū)的法向深度為1.5～2.5 m。與離心模型試驗(yàn)結(jié)果[19]相比(圖12),數(shù)值模型中的飽和區(qū)變化趨勢(shì)與之相似,但飽和區(qū)的面積以及法向深度小于離心模型試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)此,筆者認(rèn)為數(shù)值計(jì)算過(guò)程中未考慮渠基土裂隙的發(fā)育對(duì)渠水入滲的影響。在現(xiàn)場(chǎng)渠道運(yùn)行過(guò)程以及離心模型試驗(yàn)過(guò)程中,干濕交替、凍融循環(huán)的耦合作用使得渠基土內(nèi)部裂隙發(fā)育程度較高,渠基土滲透性因此顯著增長(zhǎng),故在離心模型試驗(yàn)中由渠水入滲形成的飽和區(qū)會(huì)大于數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果。盡管如此,數(shù)值模型計(jì)算所得飽和區(qū)和離心模型試驗(yàn)所得飽和區(qū)在變化規(guī)律上較為相似,表明數(shù)值模型的計(jì)算參數(shù)選擇和邊界條件設(shè)置是合理的。

圖10 渠道飽和區(qū)隨運(yùn)行時(shí)間的變化過(guò)程Fig.10 Process of soil saturation zone variation with operation time

圖11 渠道典型測(cè)點(diǎn)(S1和S2)飽和度隨運(yùn)行時(shí)間的變化過(guò)程Fig.11 Process of soil saturation in S1 and S2 variation with operation time

圖12 離心模型試驗(yàn)中模型渠道飽和區(qū)[19](mm)Fig.12 Saturation area of model canal in centrifugal model test[19] (mm)

4 結(jié)論

1)渠基土全年經(jīng)歷了顯著的升降溫過(guò)程,淺層基土更是經(jīng)歷了凍結(jié)過(guò)程和融化過(guò)程,同時(shí)伴隨著通、停水過(guò)程的渠基土全年還經(jīng)歷了顯著的飽和-非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換,可以認(rèn)為渠基土多年來(lái)經(jīng)歷了干濕交替、凍融循環(huán)的耦合作用。在此基礎(chǔ)上,劃分了濕干凍融耦合循環(huán)過(guò)程,簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境場(chǎng),便于在后續(xù)的研究中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的模擬。

2)在運(yùn)行過(guò)程中,渠道的水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)發(fā)生顯著變化,但這一變化在模型渠道運(yùn)行3年后已趨于穩(wěn)定。凍脹融沉問(wèn)題是造成模型渠道變形的重要因素,而淺層基土飽和度的增長(zhǎng)是造成這一現(xiàn)象的主要原因。因此,建議現(xiàn)場(chǎng)渠道在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)解決防滲排水問(wèn)題,尤其是渠道底部和渠坡水位線以下區(qū)域。

3)本文的研究源自具體工程問(wèn)題,其水熱問(wèn)題往往呈現(xiàn)濕干凍融耦合循環(huán)的特點(diǎn),而處于高寒地區(qū)供水渠道工程問(wèn)題往往復(fù)雜多變,導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果距離精準(zhǔn)預(yù)測(cè)供水渠道邊坡內(nèi)的溫濕度變化過(guò)程仍有一定的距離。