阿克苏地区渠道防渗结构型式探究

2011-06-21张学荣

塔里木大学学报 2011年2期

张学荣

阿克苏地区是自治区的农业大区，地方灌区现有农业灌溉总面积70.2×104hm2，占自治区总灌溉面积393.33 ×104hm2［2］的17.85%。由于地区可利用的水资源有限，随着农业结构的调整，农业灌溉供需水矛盾日益突出，据统计地区每年缺水达到5～7×108m3左右。大搞农田水利基本建设，进行灌溉渠道防渗改建和农业高效节水，已是当前缓解春秋季节旱情，以节水求发展的主要水利工程措施。根据近些年在阿克苏地区已实施的渠道防渗改建工程建设及运行情况，现对地区防渗渠道横断面型式及其结构型式的选择进行探讨，为今后在阿克苏地区范围内进行防渗渠道横断面设计选择提供参考。

1 阿克苏地区概况

阿克苏地区位于天山南麓中段，塔里木盆地北缘。地处东经 77°30'～84°07＇，北纬 39°30＇～42°10＇之间。国土总面积13.25 ×104km2，其中:山地3.87×104km2，平原 5.22 ×104km2，沙漠 4.04 ×104km2。地区境内西北高东南低，海拔由山区7435.29 m到平原881.0 m，主要地貌类型有天山山地、山间盆地、天山南麓山前倾斜平原、河流冲洪积平原及沙漠。

阿克苏地区属典型的大陆型暖温带干旱气候，光照充足，热量丰富，降水量少，夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差大，无霜期长。年平均气温为8.8～12.4℃，一月份平均气温为－5.6℃，七月份平均气温为25℃，历年最大冻土深度0.62～1.03 m(拜城县最大为1.03 m，下游平原灌区阿瓦提县、沙雅县最小为 0.62 m)。最大年降水量为43.9～150.1 mm，年均蒸发量为 1 227.8 mm，山区蒸发量随海拔增高而减少。主要灾害性气候有春寒，春旱，干旱，沙尘暴，大风，冰雹，干热风，洪灾，暴雨，霜冻等。地区辖八县一市，新疆生产建设兵团农一师16个团场分布在地区境内，全地区总人口近225×104人。灌区灌溉水源主要来自塔里木河、阿克苏河、渭干河三大水系，大小河流16条，全地区平均年实际可利用的地表水资源为72.2×108m3(不含农一师)。

2 阿克苏地区现有渠道的基本情况

截止2009年底，阿克苏地区有干、支、斗、农灌溉渠道总长32 418.29 km，防渗渠道总长9 636.77 km。其中:干渠防渗后渠道水利用系数由0.8提高到0.95;支渠防渗后渠道水利用系数由0.8提高到0.94;斗渠防渗后渠道水利用系数由0.8提高到0.92;农渠防渗后渠道水利用系数由0.88提高到0.92［3］。渠系水利用系数达 0.45。通过坚持不懈地开展渠道防渗工程建设，渠系水利用系数明显提高，灌区渠道输水速度明显加快，灌水周期由过去的20天缩短到7～10天，农作物得到适时适量灌溉，水分利用率有效提高，农作物毛灌溉定额明显下降。

目前在地区采用的渠道防渗断面型式有2种类型:梯形和“U”型渠道。渠道防渗横断面结构型式有6种类型:砼+塑膜双防结构型式、砼单防结构型式、塑膜单防结构型式、浆砌石+塑膜双防结构型式、浆砌石单防结构型式、干砌石灌浆防渗结构型式。常用的有砼+塑膜双防结构型式、砼单防结构型式。同时在渠道防渗工程结构设计中要解决好渗漏、冻胀、扬压力、冲刷、磨损、淤积、冰凌、盐胀、腐蚀、防洪、风蚀等问题［3］。

3 各类横断面结构型式的特点

根据渠道的设计流量、流速、渠道沿线的地层岩性、地下水位、施工条件、投资等综合因素确定渠道的横断面结构型式。

3.1 砼+塑膜双防结构型式

一般用在流量大于1 m3/s的干、支渠上，渠道断面结构型式为:横断面设计为梯形，边坡采用6 cm厚C20预制砼六棱板、2 cm M5或M10砂浆找平层，渠底8 cm厚C20现浇砼板衬砌防冲;全段面下设0.3或0.5 mm塑膜防渗、砂砾石(根据当地的抗冻材料也可选用风积砂或苯板)防冻体抗冻。封顶板为8×30 cm C15现浇砼板。渠底现浇砼板结构缝采用4 mm改性油毡填缝;边坡预制板结构缝采用C20细粒砼填缝，缝宽2 cm;渠道每7 m左右设一道伸缩缝，缝宽2 cm，采用聚氨酯砂浆加苯板填缝。

流速在2 m/s以上的渠道，采用全断面现浇砼板护面。在大中型渠道横断面设计中还可采用弧形坡脚梯形断面结构型式，使渠道的水力条件、抗冻胀能力更优越。阿克苏地区已实施的塔河项目大部分采用的是这种结构，已实施的工程其运行情况良好。

3.2 砼单防结构型式

一般用在流量小于1 m3/s的支、斗渠上，渠道断面结构型式为:横断面设计为梯形或U型(根据断面尺寸大小，一般流量在0.5～1.0 m3/s的用梯形;0.5 m3/s的以下渠道采用U型，U型渠道有占地少的特点)。断面结构除不设防渗膜外，其它均与砼+塑膜双防结构型式相同。

U 型渠道采用4.5 ～5.5cm 厚 C20“U”型预制砼板护砌防冲、砂砾石(根据当地的抗冻材料也可选用风积砂)抗冻的结构形式。预制板结构缝采用C20细粒砼填缝，渠道每6 m左右设一道伸缩缝，缝宽2 cm，采用聚氨脂砂浆填缝。封顶板采用C15现浇砼(8×30 cm)。

根据近几年阿克苏地区已建塔河项目工程运行状况，采用风积沙作为防冻体的渠道，在砼板下最好设一层防渗塑膜，防止由于砼板分缝处理不好，水流掏刷砼板下风积沙，造成渠道边坡垮塌破坏现象。

3.3 塑膜单防结构型式

一般渠道纵坡在1/3000以上的、砂石料较缺乏、建设资金短缺的下游灌区较缓渠道上使用，渠道断面结构型式为:横断面设计为梯形，膜上铺设40～50 cm的土层保护。根据近几年在沙雅县塔河灌区实施的塑膜单防结构型式的渠道工程运行情况，该防渗型式在工程运行中，初期防渗效果较好，但由于水流流速慢，渠道易滋生杂草或受冻融破坏、淤积，渠道清淤时易造成防渗膜破坏，失去防渗作用，建议在资金较充足的情况下尽量不选择此种防渗的结构型式。

3.4 砌石+塑膜双防结构型式

一般在上游灌区采用砌石+塑膜双防结构型式，是为了充分利用当地的建筑材料，同时也为加大渠道糙率降低流速而采用的一种渠道设计的结构型式，横断面设计为梯形，全断面为20～30 cm厚C20砼浆砌卵石衬砌，下设0.5 mm塑膜加砂砾石防冻体的结构型式。封顶板采用8×30 cm C20砼。10 m设一道沉降缝，缝宽2 cm，采用聚氨脂砂浆填缝。比如塔河项目中红旗坡农场和实验林场柯柯牙尔干渠上段横断面采用的浆砌石+塑膜双防结构型式。

3.5 浆砌石单防结构型式

其断面结构型式除不设防渗膜外，其它均与浆砌石+塑膜双防结构型式基本相同，如拜城县木扎提河大型灌区项目大宛其干渠，从2001～2007年完成了22.15 km浆砌石单防结构型式渠道，目前工程运行情况良好。

3.6 干砌石灌浆防渗结构型式

在温宿县、拜城县、乌什县、库车县、柯坪县部分干渠上使用过，主要用在流速较大的渠道上，以增加渠道糙率降低流速，施工上要求石头要大头下、小头上、砌成三角缝，踢不掉、拔不出，要求灌浆用钢钎震实，由于施工质量要求较高，目前大部分施工单位人员对干砌石灌浆施工工艺不熟悉，施工单位人员素质达不到要求，所以目前采用的较少。

4 渠道防渗中抗冻胀厚度的计算及材料的选择

阿克苏地区为寒冷地区(拜城县为严寒地区)，渠道防渗工程设计中，最关键的环节是抗冻胀设计，防止渠道及建筑物在冰、冻融和冻胀作用下遭受破坏，影响渠道的运行安全［4］。

4.1 抗冻胀厚度的计算

1、设计冻深计算

依据《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23－2006，渠系工程设计冻深按下式计算［5］:Zd=Ψd×Ψw×Zm

式中:Zd——渠系工程的设计冻深(cm);

Zm——历年最大冻深(cm);

Ψd——考虑日照及遮荫程度的修正系数;

Ψw——地下水影响系数。

①其中Ψd根据工程地点所在纬度及建筑物走向，按公式计算:Ψd=α+(1－α)×Ψi

其中Ψi依据规范查图取值，α可根据工程所在的气候区依据规范查图取值

②地下水冻深影响系数Ψw按下式计算取值:

依据不同的冻前地下水位深度，结合渠床土质，确定Ψw值:

式中:

ZW0——邻近气象台的冻前地下水水位埋深值(m);

ZWi——计算点冻前地下水位深度(m);β——系数，依据规范结合渠床土质取值。

③依据上述原则确定的Ψd值和Ψw值，根据历年最大冻深值Zm，计算不同地下水位埋深设计冻深值。要分别计算渠道阴阳坡和底板的设计冻深，为渠道在不同部位的防冻垫层换填厚度设计提供依据。

2 基土冻胀量计算及土的冻胀性级别确定［5］:

基土冻胀量计算按下式:hf—基土冻胀量，mm;

h—工程地点天然冻土层产生的冻胀量，mm;

Zf—基础下的设计冻深，m;

Zd—设计冻深，m;

δC—基础板厚度，m;

δw—底板之上冰层厚度，m。

根据不同的地下水位、边坡系数、渠道走向，计算出渠道冻胀量值，再根据渠道沿线地下水位埋深，计算出工程地基土冻胀量，依据《渠系工程抗冻胀设计规范》第3.3.2规定，判定工程基土的冻胀性级别。根据规范，当渠道断面为梯形时，砼衬砌结构允许法向位移值为5～10 mm，浆砌石衬砌结构允许法向位移值为10～30mm，如果项目区渠道衬砌结构的冻胀位移值大于允许法向位移值，必需采取抗冻胀措施。

4.2 抗冻胀材料的选择

抗冻胀材料尽量选择当地的砂砾石和风积沙材料作为渠道的抗冻换填材料，且在挖方渠道或半填半挖渠道，为避免渠道两侧灌溉对渠道边坡产生侧渗，使渠道边坡板整体遭受顶托破坏，必须采用砂砾石和风积沙作抗冻材料，以确保渠道运行安全;对填方渠道根据投资比较，可优选苯板、砂砾石或风积沙。

5 渠道防渗工程结构设计中要注意的几点问题

在渠道工程设计中，渠线选择要充分结合灌区现状，满足灌区灌溉，并符合灌区发展规划的要求，扎实做好渠道地勘和测量工作，并会同当地水利管理部门做好渠道沿线建筑物调查，为工程设计提供可靠的依据，避免工程实施中出现大的设计变更。渠道的横断面结构型式根据渠道沿线地层岩性、地下水埋深、地形纵坡、建筑物布置、建筑材料分布、施工条件、投资、工程抗冻胀及安全运行等因素，尽量使渠道总的工程量或工程费用合理，确保安全、经济，以满足防渗、防冲等各项性能，来进行渠道纵横断面设计的选择［6］。

在防渗渠道横断面结构设计时应该考虑纵断面设计，根据外业踏勘成果，结合测量、地质勘察成果，要注意解决保护渠道使用功能、保护渠道安全功能11个方面的问题:

5.1 防渗漏

主要针对地下水位在渠底以下大于0.5 m的透水渠床的渠道，渠道设计中一般都要采取防渗措施，防渗体选用塑膜或砼板，以防止渠道沿线水量渗漏损失，节约水量，可缓解春季缺水矛盾。要注意的是在建筑物陡坡后的一段渠道和靠近水库的渠道不要采取防渗措施。

5.2 防淤积

主要针对流速小于0.5～0.6 m/s的渠道。在阿克苏地区均是多泥沙河流，在灌区下游，渠道淤积很普遍。进行工程防渗改造设计时，一般要考虑在渠首设沉砂设施(沉沙条渠或箱式沉砂池)，以减少渠道淤积。同时在今后的管理上要严格执行设计要求进行冲沙、清淤。

5.3 防冲刷

渠床不冲流速在规范中已有明确规定，经过近些年阿克苏地区实施的世行项目、日协项目、塔河项目，总结出:对全断面砼防护的现浇板渠道，防冲流速不易超过3 m/s或3.5 m/s;对预制板防护的渠道，防冲流速不易超过2 m/s或2.5 m/s;对浆砌石渠道，防冲流速不易超过3.5m/s;对于弃料石防护的渠道，防冲流速不易超过1.5 m/s;对于土渠防冲流速不易超过0.8m/s，经过实践证明，这样控制的渠道运行状况良好。

5.4 防冰凌

对于寒冷地区冬季发电运行或春季早春灌渠道，渠道流速不易小于1.5m/s，否则渠道易受流凌作用形成岸冰危害，影响渠道过流断面，最后导致渠道被冰凌淤塞。

库河东岸总干渠在当初设计时对流凌的问题认识不足，冬季运行过程中，沿程流凌结冰后形成冰块，淤堵了渠道上约7座格栅消力池。7+100处节制分水闸后为塔尕克水电站引水发电的动力渠，全长约7 km。由于其渠道基本呈平行等高线布置，渠道流速小于1.5 m/s，导致2008年冬季运行时，渠道全线被流凌淤塞。

阿瓦提县某干渠为了向下游电站输水，在2000年冬季曾3次因流凌影响，淤塞渠道，导致垮渠。

对于流凌渠道很难处理，一般采取加大渠道流速或降低流速、冰盖下运行的设计方法。

5.5 防冻胀

一是渠道设计时需注意地下水位施测时间是否在高水位期，设计时需要求地质专业提供地下水的动态变化，除渠道本身地下水，还要考虑临近灌区地下水的补给影响。

在紧靠灌区、水库、湖泊的非冻胀性土的地段，一定要设防冻体，因为此渠段的冬季地下水变化幅度较大，会导致防渗体冻胀破坏。地区红旗坡农场和实验林场柯克亚干渠在靠近灌区的非冻胀性土的渠段发生了冻胀破坏。

二是当地的防冻胀材料的质量、技术指标要严格按照《规范》要求选取，一旦有误将对渠道的运行安全造成很大威胁。

三是渠道防冻层的厚度应根据阴阳坡，根据《规范》要求进行计算，区别设置。

四是挖方渠道的防冻体应尽量不用苯板，最好用砂砾石，防止由于两侧农田灌溉测渗，对苯板顶托造成渠道垮塌破坏，而填方渠道的防冻体则可以考虑选用苯板。

五是用当地材料风积砂做防冻体的梯形渠道，为防止由于运行中水流带出砼预制板的细颗粒，导致渠道运行不安全，一般要在砼预制板下加一道塑膜。

5.6 防扬压力

由于渠道外侧水头高于渠道底板，会造成渠道底板发生较大位移和砼板断裂。设计时应注意地下水位应控制在渠道底板以下1.0m，否则，渠道底板应采取透水性设计。

在河道、水库、湖泊附近选线应格外小心，因为勘察期的地下水埋深较大而未采取防渗措施，而在河道行洪水时地下水位又会大幅度提高，易造成渠道防渗体的扬压力破坏。对于这种渠道应该在靠河道侧挖设一条截排，给渠道减压。截排必须通畅，能及时将渗水排走。

5.7 防盐胀

盐胀破坏是因渠床含有卤盐和硫酸盐的土体而引起的，在含量超过300 mg时，土体会随着温度的升高而发生膨胀变形，从而直接导致砼板发生盐胀破坏。为防止盐胀破坏一般采取换填砂砾石或风积沙。例如，在塔里木河灌区沙雅县帕满水库放水渠上为消除盐胀，特在砼板下所设的苯板防冻体的下面换填了10～20 cm风积沙，目前没有出现盐胀破坏。