不同渠道衬砌材料渗漏性的比较研究

符林星

(东莞市桥头镇水务工程运营中心，广东 东莞 523000)

0 引 言

人类从远古时代开始就进行灌溉，并一直在修建灌溉渠，水的输送和分配是灌溉不可或缺的一部分[1]。设计灌溉系统时应令其以最大的效率运行[2]。但在大多数发展中国家，灌溉水利用系数还是呈现偏低的情况[3]。水运输和分配系统的效率从根本上影响了灌溉项目的经济成本[4]。在中国，通常使用砖、现浇混凝土、水泥混凝土、沥青等材料进行衬砌。其中砖衬砌和混凝土衬砌是使用最多的。文章研究了以上两种主要衬砌的成本类型，对其年度成本进行了估计并对从经济性的角度进行了分析。

为了确保水的有效利用，需要将渠道的水量损失降到最低[5]。渗流损失是渠道失水的主要因素之一。渗透率可通过直接测量或通过估算获得，由于渠道连续工作且渠道宽度较大，实际上不可能通过直接法测量出渠道的渗流；由于流量差异小，流入-流出方法也不适用于短距离的渠道渗流测量；渗流计技术需要大量的数据才能得出平均的渗流值。文章采用前人所提出的渗流方程，设置了无衬砌、砖衬砌、砂浆衬砌、混凝土衬砌四种衬砌模式，分别计算其渗流量，以期得到最优的衬砌模式。

1 应用工程概况

文章以广东省东莞市某灌溉渠道为例。灌区灌溉面积为30.4hm2，渠道长度为62.13 km，设计流量为62.70m3。由于在渠道14.61-16.50km之间的范围森林存在，因此在施工期间土方工程和衬砌工程未完成。研究所有参数均取自该渠，对现有的备选衬砌类型进行了使用寿命和经济可行性的比较、并通过计算，分别得到了所设置四种衬砌模式的渗漏量。

2 不同渠道衬砌材料比较与经济性分析

2.1 不同衬砌材料的比较

根据实地调查，统计资料等手段，得出了表1中显示的两种不同的衬砌成本类型及年度成本的比较。

表1 比较衬砌类型的年度估计成本 元

从经济角度和耐久性方面考虑，渠道的衬砌价格昂贵。在常规地形中，带衬砌渠道的成本是同等规模不带衬砌土渠的两倍；然而在崎岖的地形中，由于地形原因，节省了有衬砌渠道开挖方量，衬砌渠道的初始成本可能会比无衬砌渠道便宜。在有衬砌的渠道中，不同的情况适用不同的衬砌类型，表2展示了砖和混凝土衬砌的比较情况。

表2 砖和混凝土衬砌的比较研究

2.2 经济性分析

可变因素，包括流速速、流量、建筑材料种类、衬砌的厚度和类型、边坡、排水的有效性、渗漏、风和相邻田间土壤的稳定性，这些因素都会影响维护成本，许多因素难以把控。鉴于所列举因素的数量和可变性，通常的办法无法对项目之间的成本进行比较，但可以从同一项目或运营项目的现有渠道成本数据中获得有衬砌渠道和无衬砌渠道的运营和维护成本。在相似的气候，地理和农业条件下。之前一个项目证明了衬砌的应用是能提高工程的使用寿命和降低成本的，但所使用的衬砌类型必须从使用寿命的角度考虑维护成本和最终更换成本。大多数衬砌在很多年后仍然发挥效果。

衬砌类型的选择应考虑以下因素： ①土壤条件及其性质；②灌溉需水量和土地价值；③容易获取的当地材料种类；④人工条件；⑤机械设备条件。

3 不同衬砌方式的渠道渗漏量比较

随着人类需求的持续增长和寻找新的能源供应越来越困难，节约用水显得尤为重要。无衬砌的渠道会因渗漏而损失大量的水。渗流损失不仅会导致淡水资浪费竭，还会导致水淹，盐碱化和地下水污染等后果。有衬砌的渠道以减缓渗流损失，对节约水资源和水资源可持续利用有重要的意义。

3.1 方法

为了对灌溉系统进行有效的运行规划和管理，准确的渗水量计算是非常重要的。实验室渠道的渗流速率可以通过直接测量或估计得到，但对实际渠道的渗漏损失进行精确分析是相当复杂的。本研究采用Swamee等人提出的公式，假设不同的渗透系数，计算不同渠道中无衬砌和不同衬砌下的渗流损失。

3.2 影响渠道渗漏率的因素

从理论、实验室实验结果和实际工作情况的角度分析，渠道的渗漏率受到下列因素的影响：①土壤的内在渗透性；②渠道浸润的长度和形状(湿周)；③渠道中水的深度；④地下水位的位置；⑤在地下水上部的结构，如水井、河流、排水沟、不渗透边界等；⑥地下水位与地面水位之间的土壤吸力；⑦水的黏度(可以忽略不计)；⑧水的盐度；⑨泥沙负荷与粒径分布；⑩渠道的使用年份。

3.3 不同衬砌材料的渗漏参数

带有衬砌结构的渠道可以控制渗流。但是随着时间的流逝渠道衬砌会劣化，因此，发生劣化的衬砌渠道会继续产生大量的渗漏损失，在渠道设计中必须考虑渗流损失的影响。结构密实的衬砌可防止渠道渗水，但导致裂缝的形成有很多原因，不同种类衬砌的渗流系数是关键性的因素。研究收集了大量数据，统计整理出不同衬砌材料的渗透系数，见表3。

表3 不同材料的渗透率

3.4 计算渠道渗漏损失

当流量差很大时，即在无限制的流动条件下，渠道的渗漏损失是最大的。地下水位很大时，在均质各向同性的多孔介质中，未衬砌或有衬砌的渠道的稳定渗漏损失可以表示为：

qs=kynFs

(1)

式中：qs为单位运河长度的渗流量，m2/s；k为渗透系数，m/s；yn为渠道中的正常水流深度，m；Fs为渗流函数(无量纲)，它是通道几何形状的函数。

针对已知渠道尺寸的特定条件的不同集合来估计出渗透函数。其分析形式包含积分和未知的隐式状态变量，不便于从现有渠道中直接获得，并且在设计渗水损失的渠道时并不方便。为了简化截面的渗流功能，使用Swamee等人提出的数值方法，简化了渗流功能的计算公式，具体表达式如下：

(2)

式中：m为边坡系数；b为渠道宽度；y为水流深度。对于已知渠道的尺寸，可以针对特定条件估算渗流函数。进而代入公式(1)中计算其渗流量。

3.5 计算结果

如前所述，研究设置了无衬砌、砖衬砌、砂浆衬砌、混凝土衬砌四种衬砌模式，通过上述Swamee等人提出的方法计算并比较了不同渠道未衬砌和不同衬砌的估计渗漏损失，具体结果如表4所示。

表4 不同渠道未衬砌和不同衬砌的估计渗漏损失结果

为了更直观展示渗漏量的对比情况，将表4以柱状图的形式展现。如图1所示.

图1 不同衬砌方式的渗流损失比较

从表4、图3可以看出，在不同的渠道中不同衬砌方式的渗漏量也有所不同，但有一个共同的趋势，未衬砌的渗漏量大于砖衬砌形式，砖衬砌形式的渗漏量大于水泥砂浆衬砌形式，水泥砂浆衬砌形式的渗漏量大于混凝土衬砌形式。从图中可以看出，未衬砌的渗漏量是有衬砌的数倍。

4 结 论

主要对不同类型衬砌的寿命周期及其耐久性进行了研究，主要比较了混凝土衬砌和砖衬砌的差异。从施工、检查、成本、建筑费、剩余价值、总折旧、年利率、年度维护费的角度估计了两种衬砌的经济成本，并从养护、后期强度等方面进行综合评估，研究表明在大多数情况下混凝土衬砌比砖衬砌更适用。

渠道中水的流速增加，将导致渗流损失加剧。通过对渠道进行衬砌，可以显着降低渠道的渗漏损失、水淹、淤积等。文章设置了四种衬砌模式，通过计算并比较了不同渠道未衬砌和不同衬砌的渗漏损失，未衬砌的渠道的平均渗漏损失为0.415m3；砖衬砌的运河的平均渗漏损失为0.0511m3；水泥砂浆衬砌的平均渗漏损失为0.0028m3；混凝土衬砌的平均渗漏损失为1.2×10-4m3，渗漏损失分别减少了近87.68%，99.30%和99.97%。这进一步说明了混凝土衬砌适用于大多数渠道。