高寒地區供水渠道水熱特征及其長期演化規律

邢 瑋,朱 銳,2,3,張 晨,王 羿,周 峰

(1.南京工業大學 交通運輸工程學院, 江蘇 南京 211800;2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038;3.陸軍工程大學 土木工程博士后科研流動站,江蘇 南京 210007;4.南京水利科學研究院巖土工程研究所,江蘇 南京 210024)

長距離調水工程是實現國家水資源優化配置的重大戰略舉措[1-2],基于此,國家相繼修建了一批長距離調水工程,如南水北調東線工程、南水北調中線工程等,由此顯著促進了沿線城鎮的工農產業現代化發展。輸水渠道則是長距離調水工程的主要建筑物。目前,我國投入運行的各類輸水渠道總長度約為450萬km,而渠系水利用系數僅為50%左右[3],也就是將近一半的水損失于輸送過程中,造成了我國長距離調水工程中水資源浪費嚴重的現象。

水-熱耦合作用是現場供水渠道劣化失穩的重要因素。在此背景下,諸多學者開展了相應研究,取得了一系列研究成果[4-6]。典型如:文獻[7-10]中分別開展了考慮熱濕變形耦合、晝夜溫度變化和太陽能輻射的混凝土襯砌渠道凍脹變形數值模擬研究,計算結果與現場實測數據基本一致;郝晉彩等[11]以黑龍江蛤蟆通灌區總干渠為研究對象,分析了不同保溫措施、邊坡系數對梯形襯砌渠道凍脹變形的影響,為我國北方地區梯形渠道的建設及維護提供依據;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象,對比分析了2種不同形式渠道的溫度場、應力場和變形情況,發現“適變斷面”渠道具有較強的抗凍脹性能;閆長城等[13]通過數值模擬的手段探索了玻璃鋼防滲技術用于渠道防災方面的可行性,認為玻璃鋼材料的抗凍脹性能優于普通混凝土材料。上述研究在一定程度上揭示了季凍區渠道邊坡的孕災機制,但更多關注溫度和凍脹量之間的相互變化,針對實際工程現場水熱特征以及渠道邊坡溫濕度場演化規律的研究則鮮見報道。

鑒于此,以北疆典型供水渠道為研究對象,依據建立的渠道典型斷面監測結果,系統分析供水渠道的溫度場和滲流場特征;在此基礎上,通過數值軟件計算濕干凍融耦合循環下供水渠道的水熱演化規律,探討不同運行年份對渠道水熱特性的影響,以期為高寒地區長距離調水工程建設及運維提供科學依據。

1 供水渠道概況

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

圖1 輸水渠道現場情況Fig.1 On-site situation of canals

北疆供水渠道是兼顧沿線工業、農牧業和生態用水的跨流域調水工程。渠道設計高度為5 m,坡比為1∶2,以挖方和半挖半填為主。渠道投入運行至今約20年,每年春季供水、秋季停水。渠道沿線每年均會發生不同程度的劣化問題,造成每年實際供水時間相比于設計供水時間縮短了約30%,嚴重影響了渠道的正常運行。截至2017年底,北疆供水渠道總干渠累計滑坡約28.5 km。對此,渠道建管單位采取換填、改擴建、鋪設防滲膜等方式進行治理,同時將部分渠道加高至7.5 m,上述措施在一定程度上提升了渠道供水能力、降低了災變發生的頻率,特別是治理后的1～2年內渠道災變次數得到了有效的控制,但劣化致災問題并未得到根治,運行一定時間后供水渠道仍不斷出現新的災變,其根本原因在于現場復雜的水熱耦合作用[16]。

2 監測布置與監測結果

2.1 監測系統布置

為進一步了解現場渠道的滲流特征和溫度特征,從而探究高寒區季節性供水渠道的劣化致災機制,筆者課題組在渠道典型斷面(19+160)埋設了兼具測溫功能的滲壓計,用于監測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,附近的集水井設有220 V交流電,通用分組無線業務(GPRS)傳輸信號較強,具備實施自動化監測的基礎。

所采用的滲壓計為VWP型振弦式滲壓計。VWP型振弦式滲壓計為全不銹鋼結構,適用于長期埋設在水工結構物及基土內部,在量測結構物或土體內部孔隙(滲透)水壓力的同時,也可同步反映埋設點的溫度。滲壓計的主要技術指標如表1所示,測點布置如圖2所示。

表1 滲壓計主要技術參數

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

滲壓計的埋設工作主要包括鉆孔和滲壓計投放。鉆孔自渠頂往渠底進行,孔徑為110 mm,渠坡鉆孔采用搭設鉆孔平臺的方式;滲壓計的投放步驟依次為傳感器浸泡排氣、安裝套管、初始讀數記錄、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、膨潤土球封孔(膨潤土高度大于1 m)、注水并回填。滲壓計埋設完畢后連接至MCU模塊,所采集的信號通過移動GPRS通信信號傳輸至服務器中,再由計算機客戶端提取數據,以實現遠程自動化監測。在滲壓計埋設過程中,保持埋置深度在2 m以上,以避免基土的淺層凍結。傳感器埋設及MCU模塊安裝過程如圖3所示。

圖3 傳感器埋設及MCU模塊安裝過程Fig.3 Installation process of sensor and MCU module

2.2 監測結果與分析

2.2.1 溫度特征

圖4為渠基土溫度隨時間的變化曲線,橘色實線為監測斷面渠道表面溫度。由圖4可以看出:渠基土溫度隨著現場環境溫度的改變而產生顯著變化。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,所有測點處的基土溫度均隨之下降,下降速率由于埋設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 ℃,渠基土溫度因而進一步地降低。測點1#處的傳感器溫度讀數自2018年2月7日起已低于0 ℃,最低達到-1.11 ℃,表明監測斷面處渠底基土在2018年的最大凍結深度達到1.5 m以上。在2018年4月7日至2018年4月30日期間,渠道現場環境溫度回升顯著,但此時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,渠道現場環境溫度上升速率開始逐漸變緩,渠基土的溫度則顯著上升。這主要是由于2018年5月1日渠道開始通水,渠道內水位逐漸上升導致部分渠水滲漏進入基土中,水分的入滲使得渠基土的溫度變化速率增大。從測點處傳感器讀數響應來看,距離渠道襯砌表面較近的測點1#、2#、5#處溫度均大幅增長,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,渠道現場環境溫度逐漸下降,溫度平均下降速率達到0.3 ℃/d,渠基土的溫度變化一開始并不顯著,從2018年9月中旬開始下降。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,水的比熱較大,故渠基土溫度一開始并未隨現場環境溫度的下降而降低。當渠道于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始下降。值得注意的是,測點1#處的傳感器溫度讀數于9月中旬陡降,表明渠道淺層基土已處于非飽和狀態。

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

基于監測數據可知,渠基土在一年內經歷了顯著的降溫、升溫過程,淺層基土更是達到了負溫,經歷了凍結過程和融化過程。一些較深測點處的傳感器溫度讀數雖未顯著低于0 ℃,但在淺層土體凍結過程中也產生了水分的遷移?？梢哉J為渠基土隨著現場環境的變化每年經歷著往復的凍融循環過程。

2.2.2 滲流特征

圖5為渠基土中的孔隙水壓力隨時間的變化曲線,監測期間渠道經歷了一次通、停水過程。由圖5可以看出:渠基土中的孔隙水壓力隨著渠道內水位的升降而變化。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,可以認為渠基土處于非飽和狀態。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生了一定的增長。這主要是因為現場環境溫度較低,渠道淺層基土逐漸凍結,造成了渠基土產生了凍脹變形,進而導致土體中的孔隙水壓力略微增加。渠道于2018年5月1日開始通水,渠基土中的孔隙水壓力因此急劇上升,直至2018年5月10日左右渠道內水位不再上升,渠基土中的孔隙水壓力隨之逐漸穩定。將各測點處的傳感器讀數與對應的靜水壓力計算值進行對比,均較為相符,表明以上測點處的渠基土均已達到飽和或接近飽和狀態。渠道于2018年9月14日開始停水,停水過程持續了約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,但此時渠基土中的孔隙水壓力仍近似等于相應位置的靜水壓力計算值,故仍可認為渠基土是接近飽和狀態。在2018年9月30日至2018年11月7日期間,渠道已處于停水期,渠道受現場風力干燥的影響,渠基土中的含水率逐漸降低,導致孔隙水壓力逐漸消散,渠基土逐漸由接近飽和狀態轉變為非飽和狀態。

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

基于監測數據可知,由于渠道季節性運行的特點,渠基土中的孔隙水壓力在一年內經歷了顯著的升降過程。當渠道運行(供水期)時,渠基土中的孔隙水壓力明顯增大,此時可以認為渠基土由非飽和狀態變為飽和或接近飽和狀態;當渠道未運行(停水期)時,渠基土中的孔隙水壓力則顯著降低,此時可以認為渠基土由飽和或接近飽和狀態逐漸變為非飽和狀態。飽和-非飽和渠基土的轉換可以認為是基土含水率的變化,造成渠基土隨著渠道每年的通、停水過程經歷著往復的干濕循環過程。

2.2.3 濕干凍融耦合循環的劃分

基于現場調研和監測分析,渠基土每年隨著現場環境溫度的變化經歷往復的凍融循環過程,同時隨著渠道的通、停水過程經歷往復的干濕循環過程?？紤]到渠道現場非單一的封閉系統,而是復雜的多物理場耦合系統,干濕交替、凍融循環的耦合作用造成了渠道的災變?；谇垃F場的這種耦合作用較為復雜,實際研究過程中難以完全模擬,需要對這種復雜環境場進行簡化。

圖6為渠道沿線某氣象站觀測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,渠基土處于濕潤過程;2014年9月14日渠道進入停水期,由于無外界水源補給,且地表溫度始終高于0 ℃(2014年9月14日至2014年11月11日),可以認為期間渠基土經歷了干燥過程;地表溫度于2014年11月11日完全降至0 ℃以下,一般認為水的固液相變溫度為0 ℃,故可以認為渠基土開始了凍結過程;地表溫度于2015年3月21日升至0 ℃以上,此時渠道仍處于停水期,可以認為渠基土開始了融化過程。

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

綜上所述,渠基土多年來所經歷的溫濕度變化過程可簡化為濕潤過程、干燥過程、凍結過程、融化過程的循環,簡稱為濕干凍融耦合循環。自渠道投入運行至今,渠基土經歷上述往復的濕干凍融過程后產生劣化,導致土渠道邊坡的災變。

3 試驗結果

現場渠道周圍環境的作用造成了渠基土內部溫度場和水分場的變化,由此常引起多孔介質(渠基土)結構變形和塑性破壞等,最終造成渠基膨脹土力學性能的損傷。在渠道凍脹過程中,渠基土發生變形并作用于渠道襯砌結構上,引起襯砌結構隆起和斷裂等行為;在渠道融沉過程中,渠基土發生塑性破壞,進而使得襯砌結構產生滑塌等行為。一系列渠道災變行為是諸多因素交互作用、逐步累積的結果。鑒于此,基于凍土溫度傳導模型、水分遷移模型以及水-熱耦合聯系方程,建立了考慮水-熱耦合的供水渠道計算模型。

3.1 計算模型

渠道是線性工程,可以作為二維平面應力問題來研究。渠道橫斷面關于渠底中心是對稱的,即選取渠道剖面的一半進行建模,將渠底中心作為幾何原點(0,0),計算模型整體長(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。在此基礎上,對建立的幾何模型進行材料分區和網格劃分,即渠基土采用實體單元、以四邊形映射方式創建網格,共構建9 300個域單元和430個邊界元,最大單元大小不超過0.25 m,網格劃分情況如圖7(a)所示。

圖7 網格劃分及模型邊界Fig.7 Mesh generation and model size

在數值模擬過程中,所涉及的主要邊界條件為溫度場和水分場的周期性變化。依據現場渠道實際運行情況與監測數據,以1年(假定為360 d)為單個濕干凍融循環周期,設置邊界條件:① 將開始供水作為周期的起點,水位從起點開始線性升高,經過8 d上升到最高水位,根據渠道實際運行情況,最高水位設為4 m;② 從第8天運行至第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溫度從起點開始為10 ℃,到第60天達到最高溫度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 ℃。在濕干凍融循環過程中,水分場和溫度場周期性變化的主要時間節點如表2所示。

表2 溫濕度場周期性變化的主要時間節點

圖7(b)為模型邊界示意圖。在水分邊界方面,由于渠道為對稱結構,A到G設為對稱邊界,水分邊界施加于E到F再到G上,A到B、B到C均設為透水邊界,滲透系數依據土體實際飽和度和土-水特征曲線自動取相應數值;C到D、D到E則設為不透水邊界。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同樣設為對稱邊界;A到B、B到C則設為隔熱邊界。水-熱耦合計算涉及渠基土基本參數,基本參數取值參考文獻[17-18],部分力學性能參數依據室內試驗測定,如表3所示。

表3 渠基土基本計算參數

3.2 計算結果

3.2.1 溫度特征

溫度場的變化是濕干凍融循環下渠道災變的重要原因之一。因此,分別在每年的濕潤階段(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的變化過程,分別如圖8和9所示。由圖8和9可以看出:在濕潤階段,模型渠道的溫度持續升高,淺層基土最高溫度達到30 ℃;在干燥階段,模型渠道的溫度逐漸下降但仍高于0 ℃;在凍結階段,模型渠道的溫度自上而下開始降低,最低達到-25 ℃;在融化階段,模型渠道的溫度開始升高,除了自上而下的升溫過程,由模型渠道深部土體自下而上的溫度傳導也是淺層基土融化的重要原因,這也導致了前文所述的模型渠道淺層基土雙向融化現象。

圖8 渠基土溫度隨運行時間的變化過程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,分別選取每年濕潤階段的前一天(第0、360、720、1 080、1 440天)以及恒定水位運行的最后一天(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年運行過程中,濕潤階段渠水的入滲使得模型渠道淺層土體達到飽和狀態,并形成了一個飽和區,飽和區的法向深度約為0.5～1.5 m。隨后,渠道依次經歷干燥階段、凍結階段和融化階段,在這一過程中飽和區逐漸收縮,這一現象在渠坡處尤為明顯。隨著運行時間的延長,恒定水位運行時模型渠道飽和區逐漸增大并于運行第3年后趨于穩定,運行5年后模型渠道飽和區的法向深度為1.5～2.5 m。與離心模型試驗結果[19]相比(圖12),數值模型中的飽和區變化趨勢與之相似,但飽和區的面積以及法向深度小于離心模型試驗結果。對此,筆者認為數值計算過程中未考慮渠基土裂隙的發育對渠水入滲的影響。在現場渠道運行過程以及離心模型試驗過程中,干濕交替、凍融循環的耦合作用使得渠基土內部裂隙發育程度較高,渠基土滲透性因此顯著增長,故在離心模型試驗中由渠水入滲形成的飽和區會大于數值計算所得結果。盡管如此,數值模型計算所得飽和區和離心模型試驗所得飽和區在變化規律上較為相似,表明數值模型的計算參數選擇和邊界條件設置是合理的。

圖10 渠道飽和區隨運行時間的變化過程Fig.10 Process of soil saturation zone variation with operation time

圖11 渠道典型測點(S1和S2)飽和度隨運行時間的變化過程Fig.11 Process of soil saturation in S1 and S2 variation with operation time

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

4 結論

1)渠基土全年經歷了顯著的升降溫過程,淺層基土更是經歷了凍結過程和融化過程,同時伴隨著通、停水過程的渠基土全年還經歷了顯著的飽和-非飽和狀態轉換,可以認為渠基土多年來經歷了干濕交替、凍融循環的耦合作用。在此基礎上,劃分了濕干凍融耦合循環過程,簡化了現場復雜環境場,便于在后續的研究中進行現場復雜環境的模擬。

2)在運行過程中,渠道的水分場、溫度場發生顯著變化,但這一變化在模型渠道運行3年后已趨于穩定。凍脹融沉問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是造成這一現象的主要原因。因此,建議現場渠道在運行過程中應重點解決防滲排水問題,尤其是渠道底部和渠坡水位線以下區域。

3)本文的研究源自具體工程問題,其水熱問題往往呈現濕干凍融耦合循環的特點,而處于高寒地區供水渠道工程問題往往復雜多變,導致數值計算結果距離精準預測供水渠道邊坡內的溫濕度變化過程仍有一定的距離。