寒区高地下水位渠道透水衬砌结构方案分析

孙黎强

(山东省滨州市引黄灌溉服务中心，山东 滨州 256600)

1 工程背景

山东省滨州市小开河引黄灌区下辖6个区县，设计灌溉面积110万亩，干渠总长度96.5km，支渠总长度128.6km，斗渠总长度241.4km。近年来，得益于流域综合治理项目和灌区续建配套项目建设的实施，灌区内的大部分渠道都进行了改建和衬砌，显著提升了灌溉渠道的功能发挥和水资源综合利用系数。但是，灌区仍有大量的干渠和独立引水斗渠分布在高地下水位地区，衬砌的难度较大。鉴于国家对水资源管控要求的不断提高和群众节水意识的不断增强，这些高地下水位地段渠道亟待列入衬砌范围。5#干渠全长15.22km，其中8.66km为正规渠道，其余为不规则渠道。该干渠的上段1.5km渠段的右侧为大片耕地，左侧为河道，地下水位偏高。由于该渠段地质条件较为复杂，特别是地下水位较高，现有渠底以下0.5m部位普遍存在地下水渗出，如果采用现浇混凝土衬砌结构，则难以达到冬季防冻胀要求[1]。同时，如果衬砌结构下部的垫层中长期有水，也会显著影响渠道本身的稳定性[2]。此外，该段渠道的渠基土主要是强渗透性的沙壤土，如果不进行衬砌护岸，也难以有效保证渠道的正常运行[3]。为了解决上述问题，工程项目部决定对该渠段采用透水衬砌结构。基于此，此次研究通过室内试验的方式，探讨透水衬砌透水结构厚度、设置位置以及长度对渠道渗流量和抗冻胀性能的影响，以便为工程设计和建设提供支持。

2 试验设计

2.1 试验装置

由于工程场地和工期等因素的限制，此次研究采用室内模拟试验的方式开展[4]。首先，利用相似性原理对试验箱进行设计，并保证模型的透水边界和隔水边界条件与工程原型相一致。将试验中观测获得流量值和冻胀量数据通过公式转换为原型的渗流量和冻胀量。

结合试验场地的情况，模型的几何比尺设定为1∶5。模型试验箱为长方体，其长、宽、高分别为480cm、100cm和120cm(模型示意图如图1所示)，边坡系数为1∶1.75。模型试验箱的长度方向为背景工程渠道的横截面，宽度方向为渠道的轴线方向。利用厚度10mm的有机玻璃板制作试验箱的箱体结构，鉴于箱体的尺寸较大，在其侧面加装钢肋梁提高箱体的抗弯强度[5]。在箱体的两侧和底部安装测压管，实现水位高程的测量。在箱体的右侧安装溢流阀门，实现试验过程中地下水位的合理模拟，同时对渠底的渗流量进行测量[6]。在模拟试验过程中，除透水体部位之外，其余部位采用现浇混凝土处理，其厚度按照渗流量要求以等效原则确定。

图1 模型试验箱结构示意图

2.2 试验条件

由于试验中需要测定不同试验方案的冻胀量，因此试验在低温实验室进行。模型试验中的用土取自工程现场，以保证试验结果与背景工程的契合性。利用土样在试验箱内压实制作渠基土。制作过程中采用分层填筑分层夯实的方式进行。在填满试验箱之后按照几何比尺开挖出渠道模型，并进行透水体的安放和混凝土衬砌板的铺设[7]。

试验中规定地下水位和渠道的渠底高度一致时为0m，高于该高度记为正；低于该高度记为负。试验中采用稳定渗流法进行渗流量的测试。在试验时，首先连接自来水管，将水缓慢注入模型渠道至水渠正常运行时的渠水位，然后对溢流阀进行调节，将地下水位调节至设定水位开始试验。试验中需要及时向渠道内补水以保持固定的水位高度。每隔10min测量一次渗漏水量，在渗漏稳定时再连续测量3次，以其均值作为渗漏量的试验结果。

在渗漏量试验结束之后，将模型的模拟地下水位降低到试验设计值，然后室内气温降至5℃，将模型静置12h开始冻胀量试验。冻胀模拟试验由降温和恒低温两个阶段构成。其中降温阶段历时24h，将室内温度由5℃降低至-15℃；恒低温阶段历时36h，室内温度保持-15℃不变。在试验结束之后测量衬砌结构的冻胀量并进行分析。

2.3 试验方案

结合相关工程经验和研究成果，输水渠道透水衬砌结构渗流量和抗冻胀性的主要影响因素为透水体块石大小、长度和设置位置[8]。基于此，此次试验研究中设计4、5、6、7cm 4种不同的干砌石透水体的厚度；20、30、40、50cm 4种不同的透水体长度；设置渠底中部、渠底两侧、渠坡底部和渠坡中部等4种不同的设置位置进行实验方案设计(后3种方案需要设置两条透水体，其长度总和等于透水体长度方案的设计值)。为了减少试验次数，试验中固定两个因素的不便，对第3个因素的最佳参数进行实验研究，最终获取最佳设计方案。结合项目的地下水的变化情况，试验中设置20、10、0cm 3种不同的地下水位工况。

3 试验结果与分析

3.1 透水体位置

试验中保持透水体厚度5cm、透水体长度40cm不变，对不同透水体设置位置方案下的渠道渗流量和冻胀量进行试验。对试验中获得数据进行必要的整理和计算，结果见表1。从实验结果可以看出，透水体位置会对渗流量和冻胀量造成比较明显的影响。具体来看，当透水体设置在渠坡底部时不同地下水位高度下的渗流量最大，这有利于渠基土中地下水向渠道中排泄，从而降低渠基土的含水率，有利于渠坡的稳定性。由于基土含水率下降，渠基土的冻胀量也明显偏小，有利于减轻冻胀作用对混凝土衬砌结构的冻胀破坏，有利于提高渠道衬砌结构的耐久性。因此，建议将透水体设置在渠坡底部。

表1 不同透水体位置方案渗流量和冻胀量试验结果

3.2 透水体厚度

研究中保持透水体在渠坡底部，透水体的长度为40cm不变，对不同透水体厚度方案下的渗流量和冻胀量进行试验，根据试验结果，绘制出渗漏量和冻胀量随透水体厚度的变化曲线，结果如图2—3所示。由图2—3可以看出，渗流量随着透水体厚度的增加而缓慢减小，但是减小的幅度较为有限。究其原因，主要是透水体由块石砌成，内部渗流通道较多，其厚度不会对渗流量造成显著影响。从冻胀量来看，随着透水体厚度的增加，冻胀量最大值呈现出不断减小的变化特点，但是厚度超过5cm时减小的幅度较为有限。究其原因，主要是透水体厚度的增加需要同时增大下部砂砾石垫层的厚度，因此抗冻胀效果有所改善。鉴于透水体厚度的增大会显著增加工程的开挖施工量和垫层工程量，综合考虑工程经济性和抗冻胀效果，建议采用透水体的厚度为5cm，按几何比尺折算，背景工程建议采用25cm厚的透水体。

图2 渗流量随透水体厚度变化曲线

图3 冻胀量最大值随透水体厚度变化曲线

3.3 透水体长度

试验中将透水体设置在渠坡底部，透水体厚度保持5cm不变，对不同透水体长度方案进行试验，根据试验结果，绘制出如图4—5所示的渗流量和冻胀量最大值随透水体长度的变化曲线。由图4—5可以看出，渠道的渗流量随着透水体长度的增加而迅速增加，后逐渐趋于平稳；冻胀量随着透水体长度的增加而迅速减小后逐渐趋于平稳。当透水体长度大于30cm时，渗流量和冻胀量最大值的变化幅度相对较小。同时，增加透水体的长度对渠道衬砌结构的稳定型会产生一定的影响，采用较大的透水体长度还增加混凝土框格梁结构尺寸，从而增加工程投资。因此，按照几何比尺计算，背景工程透水体的长度以150cm为宜，也就是在两侧渠坡部位各设置长度为75cm的透水体。

图4 渗流量随透水体长度变化曲线

图5 冻胀量最大值随透水体长度变化曲线

4 结语

在北方寒区高地下水位地区的渠道衬砌工程建设中，采用透水衬砌结构设计，可以有效降低渠基土的含水率，降低冬季低温条件下的冻胀破坏。此次研究探讨了透水体的不同设计参数对渠道渗流量和冻胀量的影响，并提出了最佳设计方案，不仅可以为背景工程的设计施工提供支持，对相关类似工程研究也具有借鉴意义。当然，此次研究主要通过室内模型试验的方式展开，而室内模型很难对工程现场的情况进行准确模拟，因此此次研究的结果仍有待工程实践检验。此外，在今后的研究中还应该进一步研究和探索更多的透水体结构，以获得更好的抗冻胀工程效果。