關(guān)鍵詞：輸水渠道；逆止閥；浮托破壞；滲漏；排水泄壓

渠道作為重要的輸配水建筑物，在涉水領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用。為貫徹節(jié)水優(yōu)先的治水方針，提高渠道輸水效率，有效防止渠道滲漏，渠道工程多采用襯砌結(jié)構(gòu)［1］。當(dāng)襯砌渠道穿過地下水位較高的地段時(shí)，地下水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力會(huì)作用在渠道底部，渠道可能會(huì)因揚(yáng)壓力過大而發(fā)生浮托破壞［2］。襯砌渠道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞為常見病害，其原因主要有三類：一是渠道基礎(chǔ)失穩(wěn)導(dǎo)致的襯砌變形破壞［3］。二是渠道凍脹破壞［4］。三是地下水揚(yáng)壓力過大造成的浮托破壞［5-11］。為保證襯砌渠道安全運(yùn)行，需要根據(jù)襯砌渠道內(nèi)外最大水位差、渠底寬度、底板厚度和渠底土壤的滲透系數(shù)來設(shè)置排水泄壓系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外輸水渠道的排水泄壓系統(tǒng)多為集排水管道，其建設(shè)成本較高，維修復(fù)雜，而逆止式排水系統(tǒng)具備排水和泄壓兩方面的功能［12，13］。針對(duì)現(xiàn)行輸配水渠道中存在的缺陷，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型的排水泄壓逆止閥，對(duì)其性能進(jìn)行了排水止水和防淤堵測(cè)試，并根據(jù)實(shí)際工程，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)有無設(shè)置逆止閥的襯砌渠道進(jìn)行了地下水揚(yáng)壓力作用下的穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，該新型的排水泄壓逆止閥排水泄壓效果顯著，能夠有效防止渠道因地下水揚(yáng)壓力引起的頂托破壞，工程應(yīng)用前景較好。

1 材料與方法

1.1 新型排水泄壓逆止閥結(jié)構(gòu)與特性

排水泄壓逆止閥是襯砌渠道排水泄壓系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備?，F(xiàn)行襯砌渠道工程用的逆止閥產(chǎn)品主要包括：球式逆止閥、拍門式逆止閥、壓差放大式逆止閥和橡膠緩閉鴨嘴閥等［14］。

團(tuán)隊(duì)在充分研究現(xiàn)有逆止閥運(yùn)行和啟閉原理的基礎(chǔ)上，研制了一種新型渠道用排水泄壓逆止閥，其結(jié)構(gòu)主要包括閥體、閥芯、閥蓋和止水膠圈，閥體上部設(shè)置排水孔，底部設(shè)置進(jìn)水孔，并在閥體上下各安裝土工布，防止逆止閥淤積堵塞。該閥具有安裝便捷、強(qiáng)度高、耐久性與防淤堵性好、運(yùn)行維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，工程應(yīng)用前景廣闊，能有效解決渠道因地下水揚(yáng)壓力導(dǎo)致的浮托破壞。另外，相比于國(guó)外高成本的集排水管道排水泄壓系統(tǒng)，新型排水泄壓逆止閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、強(qiáng)度高、可更換、防淤堵效果好、使用壽命長(zhǎng)、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，可以有效保護(hù)工程安全運(yùn)行，降低工程建造及運(yùn)行成本。

A、B型逆止閥的區(qū)別在于A型逆止閥的底部采用的是獨(dú)立的進(jìn)水孔，B型逆止閥底部采用的是條形進(jìn)水管道，其進(jìn)水流量大于A型逆止閥。

1.2 排水泄壓逆止閥性能測(cè)試試驗(yàn)

1.2.1試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容 測(cè)試新型排水泄壓逆止閥的技術(shù)性能。具體內(nèi)容包括排水止水性能、耐久性性能、防淤積性能。

1.2.2檢測(cè)裝置 針對(duì)新型排水泄壓逆止閥的測(cè)試內(nèi)容，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置，主要由供水裝置、模擬渠道內(nèi)外水位變化固定單向閥裝置、測(cè)量?jī)x器等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆止閥各項(xiàng)功能的測(cè)試，滿足了測(cè)試新型排水泄壓逆止閥各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

1.2.3性能檢測(cè)指標(biāo)

（1）排水性能檢測(cè)

新型排水泄壓逆止閥的排水性能主要包括開啟水頭和排水流量?jī)蓚€(gè)方面。

（2）止水性能檢測(cè)

（3）耐久性測(cè)試

對(duì)逆止閥進(jìn)行排水和止水的循環(huán)測(cè)試。

（4）防淤積測(cè)試

根據(jù)工程實(shí)際淤積情況，經(jīng)調(diào)查分析，分別取1cm、3cm和5cm的淤積厚度進(jìn)行測(cè)試。

1.3 襯砌渠道抗浮穩(wěn)定有限元模型

數(shù)值模擬以山東省泰安市勝利渠典型渠段為依托，模型沿渠道下游方向取35m，兩岸各取15m，渠底以下豎直方向取4m，整個(gè)模型總長(zhǎng)35m，寬38.7m，高6.6m。有無逆止閥的模型如圖4所示：

為保證計(jì)算精度，對(duì)襯砌渠道和逆止閥部分進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，設(shè)有逆止閥的襯砌渠道模型共劃分節(jié)點(diǎn)單元數(shù)22896個(gè)，無逆止閥的共劃分節(jié)點(diǎn)單元數(shù)19845個(gè)，模型采用C3D8P單元。

在計(jì)算過程中，將襯砌渠道設(shè)為不透水邊界，逆止閥設(shè)為透水邊界，對(duì)渠道左右兩岸分別施加0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的水位，對(duì)渠道內(nèi)側(cè)施加0m、0.5m、和1.0m的水位，計(jì)算后分析其穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)對(duì)A、B兩種新型排水泄壓逆止閥進(jìn)行了排水止水、耐久性及防淤積測(cè)試。每種測(cè)試均對(duì)兩種閥更換了1cm，2cm，3cm厚度的閥芯，結(jié)果分別用A1、A2、A3和B1、B2、B3表示。

2.1 排水止水試驗(yàn)結(jié)果與分析

以排水流量為縱坐標(biāo)，水頭差為橫坐標(biāo)，給出了排水流量與水頭差之間的關(guān)系曲線圖（Q—ΔH①）如圖5，從圖中可以得出：隨著內(nèi)外水頭差加大，排水流量隨開啟高度的增大而增大。

閥芯厚度為1cm、2cm和3cm的逆止閥，其開啟水頭差分別為2.4cm、3.8cm和6.0cm，隨著水頭差的逐漸增大，流量系數(shù)μc也逐漸增大，直到逆止閥完全開啟時(shí)趨于穩(wěn)定。A、B兩種逆止閥的流量系數(shù)均隨著閥芯厚度的增加而減小，相同閥芯厚度下B型逆止閥平均流量系數(shù)較A型逆止閥提高了40.8%、45.5%和48.0%。結(jié)果表明，閥芯厚度越薄，逆止閥開啟靈敏度越高，對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)越大，排水流量也越大。在同一級(jí)水頭差下，QB1gt;QA1、QB2gt;QA2、QB3gt;QA3②，表明當(dāng)逆止閥的過水面積增大后，其排水流量也隨之增大。

當(dāng)排水測(cè)試結(jié)束后，各工況下的逆止閥均及時(shí)關(guān)閉止水。測(cè)試結(jié)果表明逆止閥的啟閉性能良好。

2.2 耐久性試驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖6-7的Q—ΔH關(guān)系曲線可以看出，在開啟水頭差不變的情況下，A型閥排水流量較正常情況分別下降38.8%、39.8%、33.7%，B型閥分別下降10.2%、21.5%、18.9%。結(jié)果表明，B型閥整體性能高于A型，更適合在渠道中使用。

2.3 防淤積性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)A、B型逆止閥表面施加1cm、3cm和5cm的黏性土，來模擬渠道運(yùn)行中可能產(chǎn)生的淤積情況，結(jié)果如圖8-9。

試驗(yàn)初始階段，當(dāng)內(nèi)外側(cè)水頭差達(dá)到開啟水頭差時(shí)，逆止閥開始排水。隨著水頭差逐漸增加到一定數(shù)值，各流量排水基本相當(dāng)，曲線趨向重合。當(dāng)水頭差減小至開啟水頭時(shí)，逆止閥正常關(guān)閉，未出現(xiàn)因淤堵無法閉合的現(xiàn)象。防淤積試驗(yàn)表明，只要泥沙未進(jìn)入閥室內(nèi)，就不會(huì)影響逆止閥正常啟閉。

2.4 襯砌渠道抗浮穩(wěn)定分析

為研究逆止閥對(duì)襯砌渠道襯砌抗浮穩(wěn)定性的影響，對(duì)有無安裝逆止閥的襯砌渠道模型進(jìn)行數(shù)值模擬，將襯砌渠道設(shè)為不透水邊界，逆止閥設(shè)為由外向內(nèi)的單向透水邊界，并在渠底設(shè)置6～12cm厚的中粗砂層。分別選取渠道內(nèi)水位0m、0.5m、1.0m，渠道外水位0.5m、1.0m、1.5m、2.0m，共12種工況進(jìn)行計(jì)算。在模擬結(jié)果中，內(nèi)側(cè)水位用N表示，外側(cè)水位用W表示。

2.4.1 逆止閥對(duì)襯砌渠道位移的影響 圖10～15為襯砌渠道豎直方向的位移云圖，以部分工況為例。根據(jù)云圖可以看出，隨著內(nèi)外側(cè)水頭差的增大，位移逐漸增大。其中最大變形發(fā)生在渠道底部中軸線附近，由中間向兩側(cè)降低。在無逆止閥的渠道上，隨著水頭差的增大，襯砌渠道底部混凝土有明顯的隆起現(xiàn)象。

為進(jìn)一步觀察有無逆止閥對(duì)渠道襯砌抗浮穩(wěn)定性的影響，下面選取位移最大工況N0W2做進(jìn)一步分析。路徑選取如圖16中的紅線所示，繪制后的位移曲線如圖17所示。

可以看出，對(duì)無逆止閥的渠道，當(dāng)內(nèi)外側(cè)水頭差較大時(shí)，襯砌渠道底部發(fā)生明顯的隆起現(xiàn)象，襯砌渠道底板可能產(chǎn)生浮托破壞。在有逆止閥的渠道中，其位移明顯減少，最大減少了51.9%，說明逆止閥對(duì)襯砌渠道的抗浮穩(wěn)定效果較為明顯，有利于渠道的安全運(yùn)行。

2.4.2 逆止閥對(duì)襯砌渠道外側(cè)孔隙水壓力的影響 為進(jìn)一步觀察外側(cè)地下水壓力對(duì)襯砌渠道的破壞，分析逆止閥對(duì)渠道的排水泄壓效果，選取渠道內(nèi)無水，渠道外側(cè)水位分別為0.5m、1.0m、1.5m和2.0m四個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖18和圖19所示。

由圖可知，襯砌渠道附近壓強(qiáng)最大的點(diǎn)主要集中在襯砌渠底和坡角處，渠坡外側(cè)的壓力水頭隨水頭差的增大而增大，在坡腳處達(dá)到最大值。在0.5m、1.0m、1.5m和2.0m水頭差下，沒有逆止閥排水的襯砌渠道孔隙水壓力最大值分別為5.461×103Pa、1.717×104Pa、2.207×104Pa和2.689×104Pa，有逆止閥排水的渠道孔隙水壓力最大值分別為4.285×102Pa、1.132×104Pa、1.596×104Pa和2.059×104Pa，分別下降92.2%、34.1%、27.7%和23.7%。結(jié)果表明，當(dāng)襯砌渠道內(nèi)外兩側(cè)的水頭差較大時(shí)，逆止閥可以及時(shí)將外側(cè)地下水排出，釋放襯砌渠道外側(cè)的地下水壓力，排水泄壓效果良好，對(duì)襯砌渠道襯砌具有良好的保護(hù)作用。

3 討論

本研究表明，排水泄壓系統(tǒng)是保護(hù)渠道不受揚(yáng)壓力破壞的重要組成部分，而排水泄壓逆止閥是該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其好壞直接影響襯砌渠道保護(hù)效果，這與程永輝［15］、郝毅［16］等人的結(jié)論一致。本團(tuán)隊(duì)針對(duì)現(xiàn)行排水泄壓逆止閥的不足研發(fā)的新型排水泄壓逆止閥，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活、維修方便、耐久性與防淤堵性好等優(yōu)點(diǎn)。通過數(shù)值模擬和閥體性能測(cè)試，結(jié)果與張國(guó)明［17］等的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

（1）新型排水泄壓逆止閥在排水止水和耐久性測(cè)試中表現(xiàn)良好，其排水流量均隨著內(nèi)外兩側(cè)水頭差的增大而增大，且測(cè)試數(shù)據(jù)與理論曲線擬合較好。對(duì)逆止閥更換不同厚度的閥芯后發(fā)現(xiàn)，閥芯厚度越薄，逆止閥開啟越靈敏，對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)越大，排水流量也越大；

（2）在防淤積性能測(cè)試中，兩種閥均能正常啟閉。在排水初始階段，逆止閥開啟排水的流量較小，隨著水頭差的增大，淤積層內(nèi)開始形成排水通道，當(dāng)水頭差到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，各排水流量基本一致。此外，當(dāng)增加逆止閥的有效過水面積后，其防淤積性能更高。因此，對(duì)于防淤堵要求較高的渠道，應(yīng)采用過水面積更大的逆止閥；

（3）通過對(duì)襯砌渠道抗浮穩(wěn)定的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，無逆止閥的襯砌渠道，當(dāng)內(nèi)外側(cè)水頭差較大時(shí)，地下水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力對(duì)襯砌渠道底板有明顯的浮托作用；而在安裝有逆止閥的襯砌渠道中，相同水頭差下襯砌渠道外側(cè)的孔隙水壓力明顯減少，在0.5m、1.0m、1，5m、2.0m的水頭差下，裝有逆止閥的渠道孔隙水壓力比與無逆止閥渠道分別下降了92.2%、32.1%、27.7%和23.7%，說明逆止閥的排水泄壓效果良好，可以對(duì)襯砌渠道底起到有效的保護(hù)作用。