加衬混凝土护面技术在砌石结构渠道改造中的应用

2015-07-25艾尼瓦艾拉

陕西水利 2015年1期

艾尼瓦·艾拉

（新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院新疆伊宁 835000）

1 前言

伊犁州大部分山沟灌区基本位于山前丘陵区域，该区域内土层较薄，砂砾石层深厚，石料资源较丰富。而浆砌石和干砌石混凝土勾缝等砌石结构渠道具有就地取材、抗冲、耐磨、使用寿命长等优点，广泛应用于山沟灌区建设初期的灌溉渠道。这些渠道运行20年～30年后，由于自然风化、冻胀和冻融破坏、维修管理不到位等各种原因造成渠道老化损坏、冲刷、渗漏严重等现象，急需进行修复和防渗改造。近些年，国家、自治区通过“农业综合开发”、“以工代赈”、“小型农田水利”等一批项目，对这些老旧灌区进行节水改造。其中，浆砌石和干砌石勾缝等砌石结构渠道选择经济、合理的防渗改造形式，不仅可以降低工程造价、加快施工进度，而且可以充分发挥原有工程设施的潜力，达到预期的节水节资的目的。

2 砌石结构渠道防渗改造方案的选择

2.1 研究区域概况

乌尔坦支渠位于伊犁州察布查尔县南山沟灌区内的阔洪齐乡乌尔坦河境内，乌尔坦渠从上游乌尔坦渠首引水，是一个干、支合一的引水渠道，控制灌溉面积为22000亩。由于乌尔坦沟河来水量年内变化较大，按月分配不均匀加之下游灌区纵坡大、耕作土层薄，耕作层以下为渗透性较强的深厚砂砾石结构等原因，春夏季引水时必须进行抢洪灌溉，在满足渠道运行安全的前提下，最大限度利用春夏季洪水，解决下游灌区用水高峰期的用水矛盾。渠道设计流量为2.5m3/s，总长度为16.16km。该渠道于二十世纪80年代末由当地农牧民投工投劳完成，梯形断面干砌石砼勾缝渠道，其中位于出山口后山前丘陵区域的8+050～16+160渠段已防渗改造完成，但是位于出山口前山区内的0+000～8+050渠段因地形复杂、施工机械难以进入等各种原因截止2010年前尚未进行防渗改造。此段渠道沿乌尔坦沟南岸垂直等高线布置，因纵坡较大，冲刷严重，渗漏损失大，加之渠系建筑物不配套、维修管理不到位等原因造成水资源浪费、水土流失严重。根据调查此段渠道渠底宽度为0.75m～1.95m,渠道深度为0.70m～1.20m,边坡系数为1∶1，渠道纵坡为1/15～1/1000，冲毁处共计35处，冲毁长度为2350m,占渠道总长度的30%，其余渠段渠道结构基本完好，渠道实际过流能力为1.5m3/s。

2.2 防渗改造方案

在灌区节水改造实施过程中，渠道防渗衬砌形式直接影响工程的寿命和防渗效果，加之乌尔坦支渠所在区域属寒冷地区，因此渠道防渗衬砌结构的冻胀破坏是一个较突出的问题。浆砌石或干砌石勾缝的砌石渠道老化损坏后，应根据损坏程度，本着经济合理的原则，采取相应的改造措施。根据本渠道存在的问题和损坏程度以及临近区域类似渠道防渗改造经验，提出以下三种改造方案进行了技术经济比较：

方案一：采用梯形断面，在现有干砌石断面上加衬C20混凝土，底板现浇15cm混凝土，边坡现浇10cm衬砌；

方案二：采用梯形断面，拆除原干砌石（厚度25cm），25cm厚C20细石混凝土砌卵石衬砌＋30cm砂砾石垫层；

方案三：采用梯形断面，拆除原干砌石（厚度25cm），底板现浇10cm混凝土，边坡现浇8cm衬砌＋30cm砂砾石垫层。

表1 方案技术经济比较

通过对上述三个方案的技术经济分析结果来看，把冲毁并丧失输水能力的干砌石勾缝断面按原材料、原断面尺寸进行修复后在其上面加衬C20现浇混凝土方案除了满足防渗、抗冲、抗冻要求外，还具有施工工艺简单、施工进度快、单位投资少、可充分利用原有渠道结构完好的砌石结构等优越性，因此本次渠道防渗改造方案采用原有干砌石勾缝渠道断面上加衬C20现浇混凝土的改造方案。

3 加衬混凝土护面技术的应用效果分析

乌尔坦支渠防渗改造工程于2012年3月中旬开工，当年11月中旬竣工，经过两年的冻融循环后调查发现，护面结构完好，加衬混凝土无裂缝、起鼓现象。通过已建工程运行情况看，加衬混凝土护面具有如下特点：

（1）施工工艺简单、施工进度快、原渠道砌石料利用率高、相对于普通砌石断面渠道造价低。以乌尔坦支渠改造工程为例，先对丧失输水能力的冲毁段进行修复后，充分利用其余结构完好的砌石断面进行加衬混凝土，缩短了工期，再加上加衬混凝土后过水断面缩小、糙率系数变小、流速加大，每百米长度造价相对普通现浇混凝土和浆砌石渠道分别低0.65万元和0.85万元。

（2）防渗、抗冲、抗冻胀效果优于普通现浇混凝土和砌石断面渠道。以乌尔坦支渠改造工程为例，由于将原干砌石断面作为防冻结构层，除满足防冻胀要求外还可以作为防渗层和抗冲结构，形成双防渗、双抗冲结构。根据改造前后对渠道进行动水法实测计算，加衬混凝土护面前，每公里渠道输水损失率为3.1%，而加衬混凝土护面后，每公里渠道输水损失率为0.65%。该渠道运行至今未发现冻胀，冲毁现象。

（3）相对于砌石断面渠道输水时间短，输水能力强。以乌尔坦支渠改造工程为例，由于加衬混凝土后，糙率系数由0.025变为0.017，渠道流速加快，输水时间缩短。根据渠道下游灌区调查成果，在流量、纵坡、水深不变的情况下加衬混凝土后流速较改造前增加约35%，输水能力较改造前增加约30%，从而灌水轮灌周期较改造前缩短约2天。

加衬混凝土护面技术虽然具有上述优越性，但还是存在着一些不足之处。其一是由于加衬混凝土底部砌石断面所采用的卵石料大小各异，砌筑不均匀，卵石露头长度有长有短，一般情况下卵石露头长度约为3.0cm～5.0cm不等，因此加衬混凝土设计工程量无法精确计算，可能出现混凝土量多算或少算等情况。其二是由于加衬混凝土底部原砌石断面砌筑不均匀、不规整，再加上施工水平差异等原因，在纵坡较大的渠道中可能造成成型后的渠道断面起伏不平的波浪形状，从而使渠道内水流流态紊乱、水流不稳定。因此上述存在问题在以后的同类工程防渗改造工程设计和施工阶段中应引起足够的重视。