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，地下水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力會作用在渠道底部，渠道可能會因揚(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］。針對現(xiàn)行輸配水渠道中存在的缺陷，團(tuán)隊研發(fā)了一種新型的排水泄壓逆止閥，對其性能進(jìn)行了排水止水和防淤堵測試，并根據(jù)實際工程，采用數(shù)值模擬的方法，對有無設(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、造價低等優(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試試驗

1.2.1試驗?zāi)康呐c內(nèi)容 測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檢測裝置 針對新型排水泄壓逆止閥的測試內(nèi)容，團(tuán)隊設(shè)計了一套試驗裝置，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、測量儀器等組成，實現(xiàn)對逆止閥各項功能的測試，滿足了測試新型排水泄壓逆止閥各項指標(biāo)的要求。

1.2.3性能檢測指標(biāo)

（1）排水性能檢測

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兩個方面。

（2）止水性能檢測

（3）耐久性測試

對逆止閥進(jìn)行排水和止水的循環(huán)測試。

（4）防淤積測試

根據(jù)工程實際淤積情況，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，整個模型總長35m，寬38.7m，高6.6m。有無逆止閥的模型如圖4所示：

為保證計算精度，對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，無逆止閥的共劃分節(jié)點(diǎn)單元數(shù)19845個，模型采用C3D8P單元。

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

2 結(jié)果與分析

本次試驗對A、B兩種新型排水泄壓逆止閥進(jìn)行了排水止水、耐久性及防淤積測試。每種測試均對兩種閥更換了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，對應(yīng)的流量系數(shù)越大，排水流量也越大。在同一級水頭差下，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)排水測試結(jié)束后，各工況下的逆止閥均及時關(guān)閉止水。測試結(jié)果表明逆止閥的啟閉性能良好。

2.2 耐久性試驗結(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 防淤積性能試驗結(jié)果與分析

通過對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。

試驗初始階段，當(dāng)內(nèi)外側(cè)水頭差達(dá)到開啟水頭差時，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，逆止閥正常關(guān)閉，未出現(xiàn)因淤堵無法閉合的現(xiàn)象。防淤積試驗表明，只要泥沙未進(jìn)入閥室內(nèi)，就不會影響逆止閥正常啟閉。

2.4 襯砌渠道抗浮穩(wěn)定分析

為研究逆止閥對襯砌渠道襯砌抗浮穩(wěn)定性的影響，對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，對無逆止閥的渠道，當(dāng)內(nèi)外側(cè)水頭差較大時，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)地下水壓力對襯砌渠道的破壞，分析逆止閥對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四個工況進(jìn)行計算，計算結(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，逆止閥可以及時將外側(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)隊針對現(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試，結(jié)果與張國明［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，且測試數(shù)據(jù)與理論曲線擬合較好。對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，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，地下水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力對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，可以對襯砌渠道底起到有效的保護(hù)作用。