青山水轮泵站灌区渠道防渗技术应用与研究

李少平 赵春玲

（湖南省青山水轮泵站灌区管理局 临澧县 415208）

1 工程概况

青山水轮泵站灌区是亚太地区最大的水轮泵站提水灌溉工程，位于湖南省常德市西北部澧水中下游，设计流量15.1 m3/s，设计灌溉临澧、石门、澧县3.54万 hm2（53.06万亩）农田。灌区共有干渠4条，长132.2 km，其中总干25.65 km、设计流量15.1 m3/s；北干23.71 km，设计流量5 m3/s；中干 13.36 km，设计流量 4 m3/s；南干 69.54 km，设计流量10 m3/s。共有一级支渠52条，长186.4 km。斗渠312条，长1 248 km。青山水轮泵站工程建设，于1966年开工建没，1972年主要工程基本建成。干、支、斗渠以浆砌石、预制混凝土板、混凝土砂浆防渗的梯形断面为主。灌区自1972年提水受益，累计提水25亿m3，历史上最大实灌面积2.1万hm2（31.5万亩）。灌区农业生产条件的改善，大大促进了当地国民经济发展。

2 存在问题

该工程始建于20世纪60年代末，属“三边”工程，先天不足，后天失调，泵站提水条件差，渠道渗漏严重，工程设施老化等问题，实际灌溉面积仅为1.544万hm2（23.16万亩），至今仍未达到设计效益。

（1）渠道渗漏严重。

受当时工程技术和经济条件所限，干渠只有总干和南干采用浆砌石加固76 km；采用干砌石加固护砌的渠段，由于大部分靠群众运动完成，施工质量差，经多年运行后近30%的干砌石已被冲毁，勾缝材料脱落，基本上失去防渗功能，水量渗漏严重，且糙率大；未护砌渠段，经过红壤土、白泥区，渠道水利用系数仅0.40。

（2）渠系建筑物老化破损。

干渠渡槽普遍存在露筋、混凝土脱落、槽身裂缝等病险问题。干渠渠下涵大部分为三合土砌石，有的涵管破裂造成渠道渗漏、塌方失事；有的管径太小，难以通过山洪，造成渠堤跨坡，加之渠道糙率大，导致渠道严重淤积，厚度达（5～6）m，渠系水利用系数仅为 0.38。

3 渠道防渗标准及规划

青山水轮泵站灌区工程地质条件主要为亚粘土、白泥网状土、风化泥质页岩地基，粘壤土土层内含大量风化石，土料渗漏系数大，加上渠道险工隐患多，多次出现渠道塌方决口、山体滑坡等险情，应全面进行渠道防渗改造。

渠道防渗节水改造的总体规划是遵循 “优先关键性工程、骨干工程，区别轻重缓急，注重效益优先”的原则，首选急需改造且效益明显的项目，具体就是：先除险，后加固；先总干，后分干；以防渗、除险为重点，以节水、增效为中心，突出科学管理。其中渠道防渗规划首先在加快干渠续建配套的同时，对渠道险工险段进行整体改造；其次对干渠仍维持原梯形断面，以现浇混凝土防渗体为主，最后配套支渠。

4 渠道防渗结构形式

4.1 干 渠

青山泵站灌区共有干渠4条，长132.2 km，干渠防渗断面结构主要为梯形。因原来大部分系干砌石、浆砌石，现改造成混凝土渠，需作水力要素复核计算。复核办法是重新设计断面，渠底高程，渠道纵坡不变，按明渠流量公式计算：

式中Q——流量（m3/s）；

ω——过水断面的面积（m2），ω=（b+mh0）h0；

m——边坡系数，按原设计不变动；

C——谢才系数，C=R1/6；

n——糙率，取n=0.017；

i——渠道纵坡，i=1/10 000。

现以已完成防渗改造成的总干渠0+150-2+961、18+150-22+734渠段和中干渠0+000-9+000和9+000-13+600渠段为例说明。

（1） 总干渠 0+150-2+961、18+150-22+734渠段。

该渠两渠段长 7 395 m，设计流量（15.10～15.00）m3/s，原采用30 cm厚干砌块石勾缝，在多年的运行中因勾缝材料被冲刷，脱落，渠堤垮坡、穿孔严重，渗漏厉害，实际灌溉流量不足设计流量40%。节水改造混凝土三面防渗设计复核办法是重新设计断面，渠底高程，渠道纵坡不变，按明渠流量公式计算，复核结果详见表1。

（2） 中干渠 0+000-9+000、9+000-13+600渠段。

该渠0+000-9+000、9+000-13+600两渠段长13 600 m，，设计流量（4～2）m3/s，原为土渠，渠堤垮坡、穿孔严重，渗漏厉害，实际灌溉流量不足设计流量20%。节水改造混凝土三面防渗设计复核办法是重新设计断面，渠底高程，渠道纵坡不变，按明渠流量公式计算，复核结果详见表2。

表1 总干渠梯形断面混凝土衬砌后水力要素复核成果表

表2 中干渠梯形断面混凝土衬砌后水力要素复核成果表

从表1、表2可以看出按8 cm进行三面混凝土防渗后，渠道过水深降低，过水流量增加，流速增大，将大大降低渠道淤积量和输水时间，即可行又经济。

4.2 支 渠

青山泵站灌区共有一级支渠52条,长186.4 km。支渠改造和续建主要采用“U”形断面。因支渠大部分渠基土属粘壤土土渠，防渗标准要求较高，因此其材料以混凝土为主。渠道衬砌目地除防渗外，还应降低糙率，加大流速，满足输水挟泥能力。渠道输水能力根据明渠均匀流公式计算：

式中Q——流量（m3/s）；

ω——过水断面的面积（m2）；

C——谢才系数，C=R1/6；

N——糙率；

i——渠道纵坡。

从以上公式可以看出，过水断面面积愈小愈经济，获得流速愈大输水能力愈高，而流速与纵坡、糙率、湿周有关，因此渠道防渗设计时，必须合理确定渠道断面结构形式，求得湿周最小时最佳经济断面，选择防渗材料糙率低，并充分利用地形条件，加大渠道纵坡，从而提高输水挟泥能力。青山灌区支渠渠道防渗技术逐步提高，原为土渠，现主要采用现浇混凝土“U”形断面；近几年又使用下铺一布一膜土工布的现浇混凝土“U”形断面。

现已建成的七张支渠、八一支渠为例说明。

（1）七张支渠。

该渠控制灌溉面积0.23万hm2（3.5万亩），渠长14.6 km，灌溉设计流量1.2 m3/s，其中支渠末端有666.67万hm2（1万亩）面积为盐碱地，土地肥力差，种植作物收入很秒，斗农渠均没有开通，则近期需要灌溉流量仅为0.86 m3/s。该渠道原为土渠基础，纵坡缓，梯形断面偏大，目前渗漏和淤积严重，特别是渠首2.3 km段的实际输水流量0.05 m3/s，该渠基本不能正常灌溉。改造时，根据实际地形减少跌水或降低跌差，加大渠道纵坡，并利用总干渠内深，将渠首抬高0.8 m，纵坡调整为1/1 000。渠道“U”形断面优化比较详见表 3。

表3 七张支渠“U”形断面优化比较表

从表3可以看出按湿周最小选择最佳水力断面时，半径R应取0.8 m，按每米混凝土体积选时，半径R应取0.5 m，但考虑到近期过水流量和工程投资时，半径R应取0.6 m、渠深1 m。

（2）八一支渠。

该渠位于青山灌区结瓜水库—同欢水库的一级渠道，为续建渠道，渠长3 km，灌溉面积0.07万hm2（1.05万亩），设计流量0.36 m3/s，其中种植稻谷占到80%，则实际经常灌溉流量为设计流量90%。首先优化渠道纵坡，由于地形较缓，地面坡降为1/3 000，结瓜水库水位为经济水位时渠道水深为1.6 m，则支渠渠首高程在干渠渠底基础上抬高l m时仍能满足引水，即可将渠道纵坡调为1/1 500。其次优化渠道“U”形断面，比较详见表4。

表4 八一支渠“U”形断面优化比较表

从表4可以看出按湿周最小选择最佳水力断面时，半径R应取0.6 m，但考虑到经常过水流量和最小过水流量情况及挟泥能力时，半径R应取0.5 m更合适。

总之，支渠改造和续建配套时，宜选用混凝土“U”形断面，充分利用地形条件，其纵坡一般不小于1/1 000，最缓不小于1/1 500，输水挟泥能力才能满足要求。从实施的情况看，采用混凝土“U”形断面改造支渠具有输水快、省地、省水、省工、节水、节能等优点，是小型支渠节水配套的发展方向。

5 渠道防渗施工

5.1 渠道土基施工

渠道土基是混凝土防渗体的基础，其密实程度直接关系到渠道的稳定性和防渗效果。施工中必须严格碾压夯实，使其密度达到设计标准。首先，渠道测量放线时，要严格控制高程，其次进行渠道土基施工。土基施工分为挖方和填方。对于挖方渠道，仅在原状土体上开挖的土模并不一定能满足要求，必须予以夯打或碾压。小断面渠开挖至渠顶后，采用振动碾碾压，影响深度大于渠深，然后开挖，并严防超挖；大断面渠开蹬分层开挖后，再夯实，影响深度大于渠基，然后开挖。对于填方渠道，小断面渠全断面分层回填，再按要求开挖；大断面填方渠道为节省填土方量，底部整体分层夯实到渠底以上20 cm后，再分两边渠堤分层夯实，夯实采用机械碾压。旧梯形渠道改造时，首先严格清基，对淤泥土、腐殖土、混凝土预制板等杂物必须清理干净，渠底采用打夯机夯打回填夯实土，斜坡采用开蹬分层帮坡，机械夯打，最后再开挖削坡。开挖削坡必须分两道工序：

（1）粗削，每20 m挖一个断面槽，对坡面土方进行粗削。

（2）精削，在粗削的基础上，每10 m挖一个断面槽，拉平线，推横线，走斜线削出基面，使底弧面、边坡均符合规范要求，达到混凝土浇筑的要求。削坡要求每100 m为一个分项验收段，经检查合格后，才能进行下道工序工作。

5.2 渠道混凝土防渗层的施工

渠道现浇混凝土防渗层施工技术方法主要有三种：

（1）“U”形机施工。

目前青山灌区金星机械厂生产的专用现浇混凝土机衬砌“U”形渠道规格有 D30—D200，输水流量达 （0.02～6.5）m3/s， 可以满足支架以下所有“U”形渠的机械化施工，具有结构简单，易于操作，施工速度快，混凝土质量高等优点。对于斗、农渠断面较小的，分布较广，可采用预制厂机械预制，现场安装，以增加施工速度。

（2）现浇混凝土滑模浇筑。

青山灌区干渠均为现浇混凝土梯形断面，使用现浇混凝土滑模技术，采用间隔跳仓法施工，渠底采用立侧板，混凝土人仓，平板振捣器振捣；渠坡混凝土采用半机械法浇筑，每仓设边模，用一个较重的钢制滑动板（自重不少于210 kg），钢制滑动板的滑行采用两速手摇卷扬机带动10 cm的钢丝绳进行上滑牵引，在滑架上用插入式振捣器在滑板前振捣，随铺随振，具有操作简单、施工快，质量高等特点。

5.3 混凝土渠道防渗施工应注意的几个问题

渠道混凝土防渗层属薄壳混凝土，除了使用新的施工技术、注重土模开挖质量外必须控制好以下几个方面：

（1）混凝土配合比。

合理选用原材料，并通过试验确定强度、抗渗标号均满足设计要求混凝土配合比，并满足施工要求的和易性。

（2）及时切缝和收面。

“U”形机现浇的混凝土渠是连续的，要求必须振出原浆，应及时据设计要求切缝和收面。为了确保渠道表面光滑减少糙率，混凝土振捣完后及时用木模子将原浆打平，再用铁模子收光，渠下部分含水量较大，可掺加少量水泥与原浆同时收光，上部原浆的含水量少，可用少量1∶1.5水泥砂浆与原浆同时收光，保证面层与混凝土防渗体紧密结合，使其表面光、平、实、展，整齐美观。

（3）伸缩缝填塞。

青山灌区对接缝处理工作和止水材料的选用非常重视，目前大断面渠道采用复合防渗结构形式，混凝土板下全铺或缝下局部铺设一布一模土工布，横缝内填性能较好的聚氯乙烯胶泥，无土工布时，在缝内还加塑料板止水带，纵缝内为了施工方便一般使用沥青油毡板。支渠的伸缩缝采用价格较低的新型止水材料——焦油塑料胶泥，其施工方便，造价低，止水效果较好，在灌区已得到了广泛应用。混凝土防渗渠的伸缩缝填塞前，务必将伸缩缝清理干净，填料必须达到设计要求，填充时注意使填料与缝壁、缝底充分粘结，并均匀地达到设计厚度，做到缝形整齐、尺寸合格、填充密实、表面平整。

（4）土工布的铺设。

大断面混凝土防渗渠，混凝土板下铺设土工布，形成双层防渗结构，减少渗漏。铺设时按照土工布的幅宽，先铺设第一序土工布，必须宽于混凝土的分块尺寸且留出两边粘接尺寸（一般粘接法留边l0 cm），铺设前根据渠道的坡长提前裁剪。铺设土工布时从渠道一边向另一边横向铺设，土工布要求有一定的松弛度，并紧贴渠基土模，铺设速度应与混凝土浇筑速度相配合，避免土工布裸露时间过长遭日晒及人为的损坏。

6 渠道防渗节水效益

青山灌区是亚太地区最大的提水灌区，注重发展节水灌溉，使用和探索渠道防渗技术，其水平不断提高。从1998年实施节水续建配套改造项目工程以来，累计维修改造干渠50 km，支渠40 km，配套灌溉面积3.33万hm2（20万亩），渠系水利用系数明显提高，节水效益十分显著，年减少渗漏量650万m3，年减少清淤费用30万元。从项目经济效益来分析（计算期n=31年，建设期1年、生产期30年，社会贴现率12%），年度项目内部收益率均超过27%，远大于IS=12%；经济净现值均超过1 000多万元，远大于零；益本比B/C=2.31，远大于1，说明该项目工程经济上是可行的，是一费省、效宏、见益快的工程。