渠道排水管的位置对减小渠道扬压力的影响

方攀博，王 兵，陈思涵，韩延成

（1.济南大学，济南250022；2.山东省调水工程运行维护中心山东莱州管理站，山东莱州261400）

0 引言

明渠是大型调水工程的主要输水形式之一。排水系统对有效降低地下水水位，保证渠道边坡稳定和渠道安全具有重要意义［1，2］。对于渠道地下水位过高引起的边坡衬砌破坏问题，一般可通过水平排水管及时排出边坡土体内水分从而降低渠道边坡的地下水位来减少地下水压力对渠道的破坏［3-5］。对渠道内排水问题，沿渠道纵向在衬砌板下土体内布设单排或双排排水管排水（本文称为纵向排水）是南水北调中线、南水北调东线、引黄济青等大型长距离调水工程中广泛采用的排水方式［6］。另外，根据学者们的研究，将排水管垂直边坡方向以小角度仰角插入坡体进行排水，在重力的作用下进行自流排水，具有经济性等特点［7］。采用地下暗管方式对地下水进行排水控制具有节省土地、易于施工等优点［8］。另外，软式透水管也越来越多被应用到工程中，其具有经济、耐腐蚀、适应复杂地形等特点［9-11］，但在土质边坡中，软式透水管的淤塞问题导致排水效果明显减弱［12］。

显然，不论哪种排水方式，排水管的布设高度、角度等均对排水效果有影响。学者们已经对垂直岸坡排水方式的排水管倾斜角度，高程和插入土体的深度以及不同排水方式相结合［13-15］等方面均进行了研究，但缺乏对纵向（沿渠道）排水管排水方式中排水管的布设高度、深度对排水效果影响方面的研究。

本文以山东省胶东调水工程莱州段趴埠周家桥至后趴埠东交通桥段渠道为例，根据排水设施的实际运行效果，采用数值模拟方法研究在不同高度和深度沿渠道布设纵向排水管对渠道两侧和渠底的降压排水效果，结合各不同渠道区段的比降和泥沙淤积情况，研究布置排水管的最佳位置，以达到排水管道不被淤堵的情况下排水降压效果最大化，为渠道边坡防扬压破坏提供参考。

1 研究区域概况

1.1 工程概况

胶东地区引黄济青调水工程是山东“T”字型调水大动脉的重要组成部分。研究区位于胶东引黄调水工程莱州段，莱州市境西南部沿海低缓丘陵区，地处趴埠周家桥（桩号62+509）至后趴埠东交通桥段（桩号64+909）之间，东经119°49′33.213″～119°51′20.358″，北纬37°10′10.380″～37°11′19.691″。此段两岸地势较高，渠道位置较低，地下水位较高。目前采用垂直岸坡水平横向排水方式，每隔10 m 一个。工程自2015年通水以来，此段渠道扬压力破坏严重。主要存在的问题是边坡衬砌板出现严重塌板现象，渠底鼓板和衬砌板冲起现象严重。例如，2016年7月停水检查发现62+422右坝塌板，62+612渠底衬砌板及64+200 渠底板冲起。2017年停水检查发现62+014～64+897渠底鼓板或内边坡塌板48 处，渠道原排水器前后淤堵比较严重，多处排水器从衬砌板处鼓出。频繁的衬砌板损坏修复耗费了大量人力物力，大面积的段衬砌板和渠底破坏导致渠道的输水流量无法满足原设计要求，输水能力下降，严重影响工程安全运行，甚至造成输水中断等事故。由于现状排水效果不佳，所以拟改为引黄济青、南水北调中线等采用的纵向排水方案，但排水管放在何高度、深度最合理呢？本文针对这个问题进一步开展了研究。

1.2 水文地质条件

根据山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队勘查结果表明，该区风化带厚度为23.00～25.60 m，裂隙分布均匀，构成层状含水层；水位埋深5.02～13.97 m，水位标高为13.21～20.36 m。4 个水文监测井的抽水试验结果表明，单位涌水量0.009～0.330 L/（s·m），明渠右侧透水性明显好于左侧，右侧单位涌水量0.22～0.33 L/（s·m），右侧岩土的渗透系数1.653～6.494 m/d（1.91×10-3～7.52×10-3cm/s），属于中等透水性岩层；左侧单位涌水量0.009～0.090 L/（s·m），渗透系数0.080～0.546 m/d（9.26×10-5～6.32×10-4cm/s），属于弱透水性岩层。根据渗透实验得出研究区地层渗透系数如表1所示。

表1 不同地层渗透系数值Tab.1 Permeability coefficient values of different formations

2 数值模型的建立

2.1 渗流控制方程

二维饱和-非饱和渗流一般控制方程为：

式中：H为总水头，m；kx为x方向的渗透系数，cm/s；ky为y方向的渗透系数，cm/s；Q为施加的边界流量，m3/s；θ为单位体积含水量。

单位体积含水量的变化与孔隙水压力的关系如下：

式中：mw为储水曲线斜率；uw为孔隙水压力，N/m2。

总水头H定义为：

式中：uw为孔隙水压力，N/m2；γw为水的容重，kg/m3；y为高程，m。

由上述方程式（1）～（3）重新整理得：

2.2 建模介绍

选用二维模拟软件中渗流模块，通过已有的土体参数和资料设置模型的材料属性和边界条件，对整个几何模型进行有限元网格剖分，并进行地下水渗流分析计算。

渠道边界条件设置如下：由于渠道衬砌板下有防渗膜，实测渗漏量非常小，与设计相符，因此渠道底部概化为不透水边界；渠道两侧设为定水头边界。水头设置根据往年的地下水观测数据，取最不利组合，选取渠道两侧监测井最高水头（左侧总水头为20.320 m，右侧总水头为20.631 m）；渠内排水管设置为自由出流的边界。

2.3 渠道两侧排水管布置及位置设置

本文只考虑渠道两侧边坡内排水管位置情况（如图1所示），对其他形式暂不做研究。排水管直径为10 cm，四周概化为自由渗流边界。研究排水管位置在不同高度和水平深度变化时对排水降压效果的影响。其中水平深度为含水层在水平方向上的深度，均不考虑衬砌板、保温板等厚度。

图1 排水管布置图Fig.1 Drainage pipe layout drawing

（1）排水管位置高度变化。在渠道两侧沿边坡方向设置两排排水管（到渠道两侧的水平距离分别为0.075、0.100 m，见图1）。每排距离渠底（高程18.93 m）的高度分别是18.93、18.98、19.03、19.08、19.13 m，具体见图2。

（2）排水管位置水平深度变化。在高度18.98、19.03、19.08 m 3个高度设置三排排水管（见图1）。在同一高度，各位置排水管圆心到渠道两侧（不考虑衬砌板、保温板等厚度）的水平距离分别为0.075、0.100、0.125、0.150、0.175、0.20、0.225、0.275、0.325、0.375 m具体见图2。

图2 渠道右侧排水管位置图Fig.2 Location map of the drain pipe on the right side of the channel

由于渠道左右两侧排水管位置对称，现取渠道右侧详细说明排水管的位置（如图2所示）。图2 中X轴为排水管水平位置，Y轴为排水管垂向高程，具体圆心位置坐标见表2。

如图2所示，不同排水管位置与对照组（不设排水管）共组成了35 种模拟位置（见表2），并分别与不设排水管的位置（对照组）进行对比。模拟时，排水管管径和边界条件不变，只改变其位置。

表2 位置设置Tab.2 Location settings

3 渠道排水管不同位置降压效果模拟结果分析

3.1 总水头分析

对渠道两侧不设排水管和34 个位置布置排水管的共计35种布置（见表1）分别进行模拟，可以得到排水管放置在渠底及边坡上不同位置处的总水头。图3 为排水管布置在位置6 时的总水头分布图，进而可以得到渠底及边坡处的总水头。图4 为排水管布置在35 个不同位置时得到的渠底及边坡处的总水头。

图3 排水管在位置6的总水头分布图Fig.3 Total head distribution of the drain at position 6

图4 不同位置渠底及边坡处总水头图Fig.4 Total water head at the bottom of the channel and at the slope at different locations

从图3中可看出地下水位在排水管附近有明显下降。从图4可以得到渠道两侧没有布置排水管时左边坡坡角处的总水头为20.437 m，右边坡坡角处的总水头为20.463 m；在渠道两侧边坡布置排水管后，其坡角附近的总水头下降至19 m 左右，比未布置时总水头下降约1.44 m，占渠底以上水头的95.5%，可见布置排水管效果明显。

由图4 可以看出，位置34（见表2）的排水效果明显不如其他位置，故不推荐此种布置位置。其余位置中位置2 排水效果最好，渠道左边坡坡角处的总水头为18.88 m，右边坡坡角处的总水头为18.91 m，低于渠底高程，在不考虑泥沙淤积等因素的情况下此种位置优于其他位置。

3.1.1 渠底水头分析

为便于对比分析，在垂直方向选择距渠底5，10，15 cm（高程分别为18.98，19.03，19.08 m）3 种高度的3 组排水管（共计30个位置），得到各排水管距渠道边坡的水平距离与渠底总水头关系见图5，不同高度与渠底总水头关系见图6。

图6 不同高度与渠底总水头关系图Fig.6 The relationship diagram of the bottom water head at different heights

从图5 中可以看出，3 种不同高度（18.98、19.03、19.08 m）的渠底水头分布趋势，总体分布规律相近。在高度一定时，总水头分布均呈“U”型，存在最小水头值。高度不同，最小水头值位置不同。高度为18.98、19.03、19.08 m 的三组排水管中，水头值最小的位置分别是位置6、16 和25（见表2），分布在渠道两侧距离边坡0.1～0.125 m 处。其原因是部分地下水沿渠底作绕流运动，绕流路径随排水管到渠道两侧的绕流路径先减小后增大。

图5 不同水平距离与渠底总水头关系图Fig.5 The relationship diagram of the canal bottom head at different horizontal distance

从图6 可以看出，到渠道两侧（不考虑衬砌板、保温板等厚度）的水平距离一定的情况下，高度越高其水头越大，排水效果越差，其原因是排水管的布置位置低更容易排出渠道附近的孔隙水。

3.1.2 渠道两侧水头分析

选择三组不同高度（18.98、19.03、19.08 m）对比分析，得到排水管在渠道左侧位置与总水头关系图（见图7）和渠道右侧位置与总水头关系图（见图8）。

图7 渠道左侧位置与总水头关系图Fig.7 The relationship between the left position of the channel and the total head

图8 渠道右侧位置与总水头关系图Fig.8 The relationship between the right position of the channel and the total head

根据图7 可得，在高度一定时，排水管位置随着水平位置X坐标的增大，总水头分布呈上升趋势，对渠道两侧的排水效果逐渐降低。3组不同高度（18.98、19.03、19.08 m）的排水管，分别对应排水效果最佳位置分别为是位置4、14 和24，（具体见表2）。

图8所示的排水管在渠道右侧总水头分布趋势及排水效果与排水管在渠道左侧情况大致相同。通过上述对比可以得出，在降低渠道两侧总水头时，排水管的水平位置越靠近渠道两侧边坡，排水效果越好。

3.2 孔隙水压分析

同样，对渠道两侧不设排水管和34个位置布置排水管的共计35 种布置（见表1）分别进行模拟，可以得到渠道两侧及底部含水层的孔隙水压力。图9 为排水管布置在位置6 时的水压力分布图，进而可以得到渠道两侧及底部含水层的孔隙水压力。图10 为排水管布置在35个不同位置时得到渠底及边坡处的孔隙水压力图。

图9 排水管在位置6的水压分布图Fig.9 Water pressure profile of the drain at position 6

渠道两侧没有安装排水管时其左边坡坡角处的水压为14.7 kPa，右边坡坡角处的水压为15.0 kPa，在渠道两侧边坡布置排水管后，其渠道两侧附近的水压变化明显，降低至2.3 kPa左右。布置排水管比未布置排水管时水压下降了约12.7 kPa，水压变化幅度为84.6%，可见布置排水管的降压效果明显。渠道两侧不布置排水管和不同位置布置排水管的水压具体分布情况如图10所示。图9为排水管在位置6的水压分布图。

图10 不同位置渠底及边坡处总水压图Fig.10 Diagram of total water pressure at the bottom of the canal and the slope at different locations

从图10 不同位置渠底及边坡处总水压图可以看出排水管不同位置对渠底及边坡的降压效果也有影响，其中位置34的降压效果不如其他位置，故不推荐此种位置。其余位置降压效果较为接近，渠道两侧的水压都在3 kPa以下，降压效果较好。

3.2.1 渠底水压分析

选择3组到渠道两侧边坡不同水平距离和两组不同高度位置工况进行对比分析。得到排水管到渠道两侧边坡的水平距离与渠底的水压关系图（如图11）和不同高度与渠底的水压关系图（如图12）。

图11 不同水平距离与渠底的水压关系图Fig.11 The relationship between different horizontal distances and canal bottom water pressure

图12 不同高度与渠底的水压关系图Fig.12 The relationship between different heights and the water pressure at the bottom of the canal

从图11可看出，与总水头线类似，在高度一定时，渠底水压分布呈“U”型，存在水压最小值。不同高度，最小水头值位置不同。3 组高度为18.98、19.03、19.08 m 的排水管中，水压最小值对应的是位置6、16 和25（见表2）。从图12 得出在高度不同且排水管到渠道两侧边坡水平距离一定（具体见图2）时，高度越高其水压越大，降压效果越差。

3.2.2 渠道两侧水压分析

选择3组不同水平位置工况进行对比分析。得到排水管到渠道左边坡的水平距离与水压关系图（见图13）和排水管到渠道右边坡的水平距离与水压关系图（见图14）。

图13 左边坡水平距离与水压关系图Fig.13 The relationship between the horizontal distance of the left slope and the water pressure

如图13 和图14所示，在高度一定时，随着排水管到渠道边坡水平距离的增大，孔隙水压分布呈上升趋势，对渠道两侧的降压效果逐渐降低。3组高度（18.98、19.03、19.08 m），分别对应降压效果最佳位置分别为是位置4、14、24，（具体见表2）。

由图13和图14中3组降压效果对比结果可知，在排水管到渠道两侧边坡的水平距离一定时，排水管高度越小，排水效果越好。通过上述位置对比可以得出在降低渠道两侧压力时，排水管的水平距离越小、高度越低，降压效果越好。

图14 右边坡水平距离与水压关系图Fig.14 The relationship between the horizontal distance of the right slope and the water pressure

4 考虑渠道不同区段淤积问题的排水方案选取

从实际工程的排水管运行情况看。排水管的位置除了考虑排水降压效果外，还要考虑泥沙淤积堵塞问题。因此计算各渠段的水流挟沙能力，对分析泥沙的淤积情况十分必要。

4.1 渠道水流挟沙力计算

4.1.1 引黄济青工程黄河水含沙量情况

由于胶东地区引黄调水工程和引黄济青工程共用沉沙池沉沙［16］。在引黄济青工程运行的过程中［17］，其引水进口闸含沙量平均在5.04 kg/m3，沉沙池出口闸平均含沙量在0.078 kg/m3。近几年受黄河调水调沙影响［18］，黄河河槽下切，水流平稳，黄河水含沙量在0.28～3.76 kg/m3之间，只有在汛期含沙量较高，平时黄河水含沙量基本在1 kg/m3以下，平均含沙量0.86 kg/m3。

4.1.2 黄委会水科所公式

根据引黄渠道即黄河河道大量观测资料的分析研究，得出的挟沙能力经验公式为［19］：

式中：ρ为水流的挟沙能力，kg/m3；v为断面的平均流速，m/s；H为平均水深，m；B为水面宽度，m；g为重力加速度，m/s2；w为加权平均泥沙沉降速度，cm/s；R为水力半径，m。

4.1.3 不同渠段的水流挟沙力计算

由纵断面设计图可知，桩号62+509～64+838 区段，全长3 100 m，渠底比降1/3 000；桩号64+838～64+909 区段渠底比降为1/12 000。渠道两侧和渠底由预制混凝土六边形衬砌，设计边坡1∶1.5，设计水深2 m，设计底宽4 m，衬砌高度3.5 m。

由上述黄委会水科所公式，结合曼宁公式和水力半径公式计算得到各渠段水流挟沙力结果如表3所示。由表3 可看出，在桩号61+738～64+838 渠段，水流挟沙能力为16.450 kg/m3，本渠段的挟沙能力远大于渠首沉沙池的含沙量（0.078 kg/m3），因此不会发生淤积。在桩号61+738 之前和64+838 之后，挟沙能力为2.057 kg/m3，也不会发生淤积。

表3 各渠段水流挟沙力计算Tab.3 Calculation of sediment carrying capacity of water flow in each channel

经过多年的运行，本段渠道并无发生淤积，计算结果与实际相符。

4.2 排水管布置方案选取及建议

排水管布置方案需要综合考虑泥沙淤积和减压效果。由于部分渠道渠底和渠侧抗扬压力能力可能不同，减压效果又需要综合考虑渠道两侧和渠底。根据渗流模拟结果，对桩号62+509～64+838渠段，排水管的布置位置距离渠道两侧水平距离和渠底距离越近，则降压效果越好，在高度位置上，则是距离渠底越近，降压效果越好。考虑到位置2、3 在静水情况下会导致泥沙的淤积和堵塞，予以排除。根据模拟结果，对工程侧重于渠道两侧降压时可选择水平位置和高度尽可能小的位置4；工程侧重于渠底降压时根据不同高度，可选择位置6、16、25，（见表2）。

在桩号64+838～64+509渠段，水流挟沙能力为2.057 kg/m3，根据模拟结果，在此渠段可以适当升高渠道两侧排水管的位置，可选择位置15进行布置。尽可能选择在黄河含沙量较低的非汛期时段进行引水作业［18］，减少渠道的泥沙输入，降低排水管的淤堵情况。

综合考虑泥沙淤积和减压效果，桩号62+509～64+838 渠段，最优位置是位置4；桩号64+838～64+509 渠段，最优位置是位置15。

5 结论

本文通过设置多组位置分别探究排水管位置到渠道两侧边坡（不考虑衬砌板、保温板厚度）和渠底不同距离对降压排水效果进行研究，得到不同情况下排水管布置的最佳位置，结论如下。

（1）渠道底部总水头水压分布情况及排水管位置布置。在高度一定时，渠底总水头值和水压值随着排水管到渠道两侧边坡水平距离的增加，呈“U”型分布，说明在降低渠底总水头和水压时，存在最佳降压排水位置。根据不同高度（18.98、19.03、19.08 m），分别对应的最小水压值位置是位置6、16 和25（见表2），分布在到渠道两侧边坡距离0.1～0.125 m；在排水管到渠道两侧边坡水平距离一定时，排水管位置高度越小，其排水降压效果越好。由上述可得到渠道底部排水降压最佳位置为位置6，见表2。

（2）渠道两侧总水头水压分布情况及排水管位置布置。在高度一定时，随着排水管到渠道两侧边坡的水平距离的增加，渠道两侧的水头水压分布呈上升趋势，排水降压效果依次降低；在排水管到渠道两侧边坡水平距离一定时，排水管高度越小，排水降压效果越好。根据布置位置，渠道两侧排水降压最佳位置为位置4，见表2。

（3）不同区段水流挟沙力情况及排水管位置布置。根据不同区段的水流挟沙能力计算，在水流挟沙能力较强的62+509～64+838区段可适当降低渠道两侧排水管的位置，选择位置6，见表2；在水流挟沙能力较弱的桩号64+838～64+509 区段可适当升高排水管的位置，选择位置15 进行布置，防止泥沙的淤积。渠道工程在降压排水方面侧重于渠道两侧降压可选择到渠道两侧边坡水平距离小和高度低的位置4；工程侧重于渠底降压时根据不同高度，可选择位置6，见表2。

（4）综合考虑泥沙淤积和减压效果，桩号62+509～64+838渠段，最优位置是位置4；桩号64+838～64+509 渠段，最优位置是位置15，见表2。□