洛惠渠东干渠流泥段治理方案及运行效果分析

贾志胜

(陕西渭南市洛惠渠管理局,陕西 大荔 715100)

洛惠渠灌区始建于 1934年,1950年开灌,是北洛河流域最大的灌区,自澄城县状头村自流引洛河水,灌溉大荔、蒲城、澄城三县 74.32万亩农田。东干渠为灌区输水的骨干渠道,于 1958年建成投入运行。该渠西起总干渠 5#隧洞出口的义井分水闸,东至黄河西岸,全长 26.5 km,沿渠设四条支分渠和斗渠 13条。原渠道断面采用梯形,比降 i=1/3 000,设计流量 Q=7 m3/s。东干渠灌溉大荔县 7个乡镇 26万亩农田,占洛惠渠灌区有效灌溉面积的 35%,区内现有农业人口 16.25万人。渠道建成并运行半个多世纪,为抵御干旱洪涝灾害,改善农业生态环境,促进当地农业发展和人民生活改善,发挥了巨大作用,取得显著的经挤效益和社会效益。但在创造辉煌效益的同时,流泥病害导致工程系统的输水效率低下,灌区供水能力严重不足。

1 东干渠流泥段成因分析

1.1 流泥段概述

洛惠渠东干渠 1958年建成后运行不久便出现流泥病害,渠坡因流泥滑塌十分严重。渠道坍塌以 4+950～6+150段及 9+500～14+700段最为严重。 4+950～6+150段 1967年村砌,1969年即滑塌,9+500～12+350段 1974年完成衬砌,次年春即全部滑塌,至 2001年滑塌延伸至 18+800处,总长达到 10.5 km,占东干渠总长度的 41.2%,形成有名的东干渠流泥段。

东干渠原设计断面为梯形,设计渠底宽 2.2 m、渠深2.6m、边坡 1：1、口宽 7.4m;渠道坍塌后,渠口塌至 12 m左右,渠深因滑塌淤积不足 2m,渠不成形,输水能力由设计的7m3/s下降到 3.5 m3/s,渠道引水能力严重不足,运行效率下降,严重影响东干渠系统 26万亩农田的正常灌溉。

1.2 成因分析

东干渠沿黄土台塬坡脚与洛河三级阶地后缘由西向东布设,渠道穿过潜水层。东干渠沿线地下水为孔隙潜水,降雨及灌溉入渗是其主要补给来源,流向从北向南。多年来由于灌溉渗漏,地下水位逐年升高,东干渠沿渠线表现为地下水位上段大致与渠底齐平,中段埋深在 1.3～2.0 m,高于设计渠底,下段低于渠底,成为一地下水丘,向东、西两侧运动。

在渠深范围内,土壤主要为第四系上更新统及全新统风积 ～坡积黄土状亚粘土,土壤渗透系数平均值为 7.8×10-4cm/s,属弱透水层。同时,土壤颗粒较细,粘粒含量高。在地下水渗透力作用下,渠坡易发生流土破坏。

渠道水位低于渠坡地下水位时,地下水位与渠道水位便有一个水位差 H,当渠道放空时此 H值最大。冬季,地下水位以下土壤在饱和情况下冻结,而翌年春融解冻前,边坡后背地下水位调壅接近水平。当土体融透时,地下水位便以最短渗径从边坡逸出。此时,水力梯度最大。在产生水位差时,水对土骨架就产生渗透力 j=i◦rw(t/m2),其方向与渗透方向一致,其值等于水力梯度。

单位土体内的渗透力与土的浮容重达到平衡时,土颗粒即处于悬浮状而失去稳定,此时的水力梯度即为临界水力梯度(ic)。当水流逸出处的水力梯度为 ie＞ic土体处于流土状态,已经破坏失稳。依据地质报告及大荔气象站土壤冻结资料,坍塌流泥严重段,地下水位高于渠底 1.25 m。经计算分析,东干渠土体在现状坡比 1∶1情况下边坡不稳定,处于流土状态。

可见地下水位偏高和渠道边坡 1∶1偏陡是东干渠坍塌流泥破坏的主要原因。

2 治理方案

2001年利用世行贷款项目对东干渠流泥段最为严重的9+500～14+000进行改造。在改造过程中,针对东干渠流泥段形成的原因,根据地下水位与渠底高程的相对关系,分段采取两种不同的治理方案。

2.1 9+500～11+950段,采用机井降水、现浇砼板膜复合结构衬砌方案

该段地下水位最高在渠底以上 1.3m,采用机井降水、现浇砼板膜复合结构衬砌方案进行治理。通过渗流、地下水位下降曲线等计算,并借鉴其他类似工程井距、井深的布置经验,在地下水流来向(渠北岸)外侧每隔 60m打一眼机井,共打机井 40眼,井深 45m,机井孔径为 70 cm,井管采用 50 cm无砂混凝土管。采用 200QJ50一 26/2型潜水泵,单机出水量 40m3/h。渠道横断面采用抗冻胀能力强的弧底梯形断面,针对渠道边坡 1∶1不稳定的情况,通过计算,边坡采用1∶1.5。渠道衬砌形式采用现浇砼板膜复合结构,衬砌材料选用 C15、F50、W 4现浇砼,板厚 10 cm,防渗膜料选用 0.2mm、100 g/m2一布一膜复合防渗土工布,膜料设置于现浇砼板和夯实、平整好的渠床之间,膜料层是复合式衬砌的防渗主体。

2.2 11+950～14+000段,采用浆砌石衬砌设无砂砼排水块排水方案

该段地下水位在渠底以上 0.5m,对该段的衬砌治理,关键是要保证在渠道水位低于地下水位或渠道不引水时,地下水能顺利排出,从而保证渠道边坡稳定。因此,渠道衬砌设计形式采用浆砌石设无砂砼排水体衬砌形式,断面采用弧底梯形型式,弧底半径 R=3.6 m,坡比 1∶1.5,衬砌高度2.0m,衬砌厚 30 cm;每 10m设一道横向伸缩缝,在圆弧与斜坡连接处设 2条纵向伸缩缝,且在渠坡设两道排水孔,呈梅花状布置,相邻孔间距 1.5 m。梅花型布设的无砂砼透水体,其临土侧铺设土工织物,砌石衬砌下铺设砂砾料反滤垫层。当渠道水位低于地下水位或渠道不引水时,地下水则通过无砂砼块排人渠中。该方案具有施工方便、便于管理、安全可靠等优点,但投资相对较高。衬砌方案如图 1。

图1 衬砌方案

3 治理效果分析

东干渠流泥段治理工程实施完成后,治理段渠道的流泥病害得以消除,输水条件得以改善,使治理段过水能力由改造前的 3.5m3/s恢复到 7.03/s。

3.1 机经降水方案效果

9+500～11+950段采用机井降水方案,经过建成以来的观测和观察,该渠段地下水位明显下降,流泥塌岸得到有效控制。通过典型井的地下水位变化观测资料分析,初步得出的降水效果是：(1)抽水前沿线地下水位距井口 1.8～2.8m(高于渠底 1.0～0 m)抽水运行 17个月后,地下水位距井口 6.2～8.5 m(低于渠底 3.4～5.7 m),平均下降5.5m,水位趋于稳定。(2)据对典型井的观测,在无大的降雨影响时,最长停机时间 4个月(此段时间有效降雨小于10mm),地下水位无明显回升;当有效降雨达 135 mm时,地下水位上升距渠底 1.0 m。(3)抽水运行后,井群两侧地面出现明显的沉降变形,土地盐碱化显著减轻。

同时,该方案抽取的地下水可以掺入渠水用于灌溉,在一定程度上达到补水效果。

但 2003年 7～10月四个月降雨达 527.4 mm,接近历年同期 2倍,导致渠岸两边耕地形成大面积明水,渠坡土壤饱和。由于降雨偏多造成电力线路破坏,降水方案受到影响,没有正常降水,导致地下水位无法降到渠底以下,造成衬砌承受较大外水压力,该段渠道 800m出现滑塌。2004年对该段滑塌渠道采用浆砌石衬砌设无砂砼排水块排水方案进行了修复,至今运行良好。

3.2 浆砌石衬砌设无砂砼排水块排水方案效果

11+950～14+000段采用浆砌石衬砌设无砂砼排水块排水方案经过多年运行,渠道边坡稳定,排水效果良好,没有出现任何流泥破坏;同时,该方案运行费用低,对日常维护要求不高。

4 结论与意见

根据近年来的运行观测,浆砌石衬砌设无砂砼块排水体方案是解决地下水位高出渠底地质条件下采取的有效工程措施。建议在类似地质条件的渠道改造中,运用该衬砌方式,虽然此方案成本较大,但可以从根本上解决渠道衬砌滑塌问题。2010年灌区续建配套项目对东干渠上段流泥段的治理过程中,便采用浆砌石衬砌设无砂砼块排水体的衬砌方案,目前已施工完成。针对东干渠目前采用的两种方案,在以后的日常运行过程中建议：

(1)机井降水段。井点降水是保证渠坡稳定的先决条件,保证地下水位始终在渠底 1.0 m以下,才能保证渠坡及砼衬砌的稳定。因此须加强排水设施管理,克服“重建轻管”的思想,定期检查和观测,修复损坏的降水井,整修电力线路和电器设备,保证其正常运行,有效控制地下水位。同时,须在长期降水过程中,进一步总结井点降水的规律性,合理降水。

(2)砌石衬砌段。因洛河水源含沙量较大,容易堵塞无砂砼排水块,因此,需要加强管理,在每一次灌水后能及时清淤,保证无砂砼排水块排水通畅、不堵塞。

[1]洛惠渠志编纂委员会.洛惠渠志[M].陕西：陕西人民出版社,1995.

[2]肖建伟,肖建新,吴少华.水在滑坡变形过程中所起作用的探讨[J].水文地质工程地质,2007,(6).

[3]工程地质手册.工程地质手册(第四版)[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.