西部干寒地区引水明渠病害特点及治理措施

贡 力，靳春玲

(兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070)

西部干寒地区引水明渠病害特点及治理措施

贡 力，靳春玲

(兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070)

摘 要：以西部干寒地区运营引水明渠作为研究对象，考察明渠病害发生的状况，总结病害的特点和类型，针对病害的实际情况分析造成病害的原因，提出了明渠翻衬、明渠改暗渠、综合地基处理等病害处理的方案，为西部干寒地区引水明渠病害的治理工作提供了参考依据。

关键词：西部干寒地区；引水明渠；病害特点；病害治理措施

0 引 言

引水工程是许多国家和地区用以缓和或解决缺水地区经济发展的重要措施。我国是淡水资源缺乏国家，水量在地区上分布严重不均衡，降水量从东南沿海地区向西北内陆地区逐渐递减，全国有约 45% 的土地面积属于降水量小于 400 mm 的干旱或半干旱地区。特别是黄河、淮河、海河三大流域内耕地面积约占全国的 1/3，但是其径流量占全国径流量不足 5%，尤其以西北广大地区最为严重，年平均降水量少于 250 mm，属于严重缺水地区，缺水已经成为严重制约西北广大地区国民经济发展的重要因素。随着人口的增加和经济的发展，工农业和居民的用水需求日益增长。许多国家，例如美国、澳大利亚、巴基斯坦、印度等都采用跨流域调水的方法重新分配水资源，在缓和或解决缺水地区经济发展方面进行实践，取得了巨大的经济和社会效益。比较知名的调水工程有：美国的中央河谷工程、科罗拉多河调水工程等，前苏联的伏尔加一莫斯科调水工程、巴基斯坦“西水东调”工程，印度恒河流域萨尔达萨哈亚克调水工程等。我国是淡水资源缺乏国家，特别是北方地区、西北地区和部分沿海城市严重缺水。我国在西部地区也投资建设了大量的引调水工程，然而由于西部黄土高原地区自然条件的限制，地形地质条件复杂，造成许多引水明渠病害频发，给工程的设计、施工、运营都增加了相当大的难度。以甘肃引大入秦工程为例，研究引水明渠病害特点及防治措施。

1 工程概况

引大入秦工程是我国上世纪规模最大的跨双流域调水自流灌溉工程，被称为“中国的地下运河”。工程是把甘肃和青海省交界处的大通河水，跨流域引到兰州市以北干旱缺水的秦王川盆地。在引大入秦水利工程建设中，中、外承包商共同奋战，创造了很多奇迹。引大入秦工程作为国家重点建设成就，1995 年被载入第八届全国人大三次会议政府工作报告。引大入秦工程总干渠从甘肃省天祝县天堂寺以下约 2 000 km 的科拉沟口 2 255.5 m 高程引水，进水闸底板高程 2 255.5 m，渠尾高程 2 189.22 m，全长 86.79 km。设计流量 32 m3/s，加大流量 36 m3/s，年引水量 4.43 亿 m3，控制灌溉面积 86 万亩。工程设计、建设周期较长，其间经多次修改，原工程设计参数均为 1986 年工程实施时的设计参数。工程运行 10 多年来没有发生大的问题，工程总体评价其质量是优质的，但总干渠、东一干渠、东二干渠合计长达 190 km，各类连接建筑物、闸室、横向建筑物等较多，渠线穿越多种地层结构，地质条件复杂，运行多年后部分明渠渠基沉陷、冻胀、止水老化、衬砌脱落等各种病险问题相继出现，已经不能满足为兰州新区安全供水的需求。

2 西部干寒地区引水明渠病害特点

由于西部地区气候干燥、寒冷，加上引水明渠长期遭受阳光曝晒、冰冻、干裂和水力侵蚀等，总干渠明渠衬砌断面分为矩形明渠、梯形明渠和梯弧形明渠三大类，重点考察了梯形明渠的病害问题。梯形明渠全部为混凝土预制块衬砌或现浇混凝土衬砌的梯形和梯弧形渠道，渠间横向建筑物较多，相应渠道断面尺寸大小各段也不尽相同。

2.1 浆砌石渠段裂缝、破损情况

存在的主要问题为地基不同程度的沉陷、冻胀破坏，侧墙断裂、滑塌等，整体破损严重，底板和两侧渠坡多发育裂缝，部分渠段底板凹凸不平，破裂损坏较严重，甚至大范围底板铺设的漂、卵砌石垫层出露，渠道在渠底低洼处、转弯处、流水回旋处有淤积。局部段渠坡鼓胀现象明显，渠坡塌陷、砌石间勾缝混凝土及渠坡与底板结合部松动、脱落等各类病险较多(详见图 1～图 4)。

图 1 边坡破损变形

图 2 渠基及边坡贯通裂缝

图 3 渠岸岸坡裂缝

图 4 渠底及边坡冻胀破坏

2.2 混凝土预制块渠段破坏情况

从目前的渠道运行情况调研结果来看，部分渠段的渠基冻胀问题严重，出现混凝土预制块破坏，主要存在问题有预制块隆起变形、开裂、边坡滑塌等，局部严重渠段出现渠基土沉陷，详见图 5～图 6。

图 5 预制块隆起开裂

图 6 边坡滑塌

2.3 渠道渗漏、淤积情况

对于渠底位于第三系砂质泥岩夹砂砾岩上的渠段，渠道高水位运行时存在渗漏问题，严重的渗水呈射流状，渗水外流危及附近村民房屋安全，同时渗漏引发渠道冻胀破坏，造成预制板鼓起错位、渠道变形滑塌、渠内泥沙淤积，详见图7～图 8。

图 7 渗漏造成渠道连接段破坏

图 8 渠底淤积情况

3 引水明渠病害成因分析

通过对甘肃引大入秦工程明渠大修情况进行实地考察，总结西部地区引水明渠病害的主要成因如下。

3.1 渠道冻融破坏

西部大部分地区具有冬长暑短、雨热同季、日照时间长、年降水少、蒸发量大和昼夜温差大的高寒半干旱气候特点。往往降水随高程的增加而递增，愈向上游冰冻期愈长，气温也低，降水量增大、蒸发量减小。比如天堂水文站实测降水和部分蒸发资料以及邻近气象站资料推得多年平均气温为 3.0℃，极端最高气温为 30.0℃，极端最低气温 -28.3℃，最大冻土深度 148 cm。恶劣的气候条件致使管理部门在每年冰冻期及时停水，减少浮冰对渠道的侵蚀，但是由于部分渠段下游兴建小型水电站，冬期不能停水或停水时间较短，从而造成了更为严重的冻融破坏。

3.2 地基不均匀沉降

由于引水工程线路长，各条明渠所经过的地区地形地貌差异很大，造成明渠的地质现象复杂。例如甘肃引大入秦工程，从渠首至秦王川盆地区域地貌可分为四个大区：侵蚀断块石质高中山区、侵蚀堆积与侵蚀构造黄土中低山区、侵蚀堆积构造河谷平原区和山前冲洪积盆地平原区。不良物理地质现象包括风化、坍塌、滑坡、风积流动砂丘和地表湿陷等。其中岩体风化以物理风化为主，由于地形差异、岩性、构造切割不同，其风化深度也有所不同。沿渠道全线沉降量差距较大，从而造成渠道裂缝、贯通裂缝甚至断裂。

3.3 渠道渗漏

由于渗漏水不断侵蚀渠基土，使部分渠段出现塌陷变形、预制板鼓起错位等，同时渗漏又进一步加剧了渠道的冻胀破坏，冻胀破坏产生的裂缝反过来又增强了渗漏，使渠道运行陷入了恶性循环。

3.4 山体滑坡或洪水影响

由于西部地区地貌特点，在雨季容易形成山体滑坡及山洪灾害，一旦山洪形成，大量泥沙涌入渠道，造成渠道破坏、淤积，严重的甚至形成边坡滑塌裂缝。

3.5 湿陷性黄土

在黄土分布的地区，黄土在自重或一定荷载作用下受到水的浸湿后，迅速破坏而发生显著下沉，以致其上部的建筑物受到破坏，这种具有湿陷性的黄土被称为湿陷性黄土。西部地区部分引水明渠的基础位于第四系全新统洪积黄土状土或粉质壤土上，属中等湿陷性黄土。渠道渗漏水导致基础沉陷、底板冻胀破坏、局部鼓起开裂等。

4 引水明渠病害处理方案建议

针对西部地区引水明渠病害特点及病害成因分析结果，建议对已经出现的明渠病害采取以下措施进行处理。

4.1 梯形明渠翻衬

对于现状渠身破损、渗漏、冻胀较为严重渠段，可将渠道原衬砌预制块拆除后，增设土工膜防渗，渠道边坡采用M10 水泥砂浆砌 C20 预制块衬砌，预制块厚 8 cm，预制块底部设 20 mm 厚水泥砂浆垫层，渠道底弧段采用现浇 C20 混凝土浇筑。

4.2 梯形明渠改矩形暗渠

为了解决部分梯形明渠高边坡深挖方的边坡稳定问题、穿越村庄垃圾入渠严重问题、渠基冻胀严重问题、渠基土沉陷问题、渠道破损问题、边坡滑落土体入渠问题等安全隐患较大的渠段，可考虑修改为矩形暗渠。

4.3 综合地基处理

对湿陷、沉陷变形黄土渠段进行加固改造或改建时，应采取综合地基处理措施，即地基处理、防水措施和结构措施相结合。例如采用垫层法和强夯法处理湿陷性黄土地基时，选择填料时不得使用有机土、盐渍土、膨胀土、冻土等不良土料，最好选用渠底原有土层，并进行翻夯处理，加一定厚度的 10% 水泥土垫层，同时铺设 0.3 m 厚非冻胀粗粒土垫层，且应加强防渗、防冻胀衬砌。

5 结 语

引水工程建设是我国西部地区用以缓和或解决经济发展的重要措施，引水明渠是西部地区引水工程的一个典型建筑物类型，针对引水明渠病害问题的研究具有很高的应用价值。通过对西部地区运营引水明渠的维修施工情况进行实地考察，分析病害的类型及成因，提出了明渠维修处理的有效措施。

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中图分类号：TV554

文献标识码：B

文章编号：1007-4104(2014)12-0066-04

基金项目：国家自然科学基金项目(51268030)；长江学者和创新团队发展计划(IRT1139)；甘肃省高等学校科研项目(2013A-055)；甘肃省高等学校硕士生导师基金项目(1204-10)；甘肃省教育科学规划课题(2012-GSGXG110)。

收稿日期：2014-04-21

作者简介：贡力( 1977—)，男，博士，副教授，硕士生导师，从事隧道安全及水安全利用研究工作。

通信地址：兰州交通大学 土木工程学院408#信箱 靳春玲(收)。