渠道防渗技术研究综述

2021-04-03吴昀磊

东北水利水电 2021年2期

关键词：砌石粉煤灰骨料

吴昀磊

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆伊犁835000）

1 我国渠道防渗技术研究与进展

1.1 防渗材料

我国渠道防渗根据所用的材料不同，大致可以分为混凝土防渗、土料防渗（土料包括灰土、三合土、四合土等）、水泥土防渗（包括干硬性水泥土、素性水泥土等）、素衬薄膜防渗、砌石防渗等。

1.2 防冻胀措施

我国有多种多样的气候，西北部属于温带大陆性气候，冬季严寒，日温差较大，若防渗措施不到位，渠道极易受到严重的冻胀问题困扰。针对此问题，20 世纪70年代以来，相关科研人员立足于大量的渠道冻胀破坏试验及渠道抗渗抗冻试验，改变了传统的“抗冻胀”设计观点，提出了“适应消减冻胀”的思想。该思想依据大量试验得出的计算冻胀量和冻结深度的公式，将不同冻胀量划分为不同的等级，按照对应等级选择与之匹配适应的消减冻胀措施，此项举措取得了良好的效果。

现阶段，我国采取的渠道抗渗抗冻胀措施可归纳为两个方面：一是根据当地地质水文条件选择合理的衬砌材料与断面形式。将梯形坡角改成弧形，使渠道受力更为均匀，减小集中应力，可以较好地与冻胀变形相适应。渠道防渗方法大致可以分为两类：一是设置防渗层，如采用各种衬砌，这样做可以使渠道渗漏损失减少50%～90%；二是改变原渠床土壤渗透性能，可以分为物理机械法和化学法，前者就是进行土的置换或者强夯处理，后者就是掺入化学材料增强土壤的不透水性。

1.3 衬砌结构形式及施工技术

我国目前渠道衬砌的断面形式有梯形、矩形、U 形和梯弓形等。不同类型渠道的优缺点及相关的适用条件就不在这里一一赘述。在渠道防渗施工技术方面，我国目前仍以低效率、施工质量主要由施工人员水平高低来决定的人工施工为主，但我国渠道机械化施工程度正在逐步提高，技术也日趋成熟。

1.4 需要研究的几个问题

我国渠道防渗技术日趋成熟，但在某些领域还需要深入研究，如渠道衬砌设备研制、新型防渗土工膜材料的研发及改善土质的固化剂等。

2 不同类型的渠道防渗

渠道防渗类型多样，下文将主要介绍混凝土衬砌渠道防渗、沥青混凝土渠道防渗、大掺量统排粉煤灰混凝土渠道防渗及浆砌石土工膜渠道防渗4 种防渗方式。

2.1 混凝土渠道防渗

混凝土衬砌渠道相对于其他类型衬砌渠道而言，有使用寿命长、糙率低、防渗效果好、抗冲刷力强、施工方便等诸多优点。其主要结构为板形结构，板形结构中包含多种截面类型。不同截面类型适用于不同的地区，有冻胀的地区，楔形、肋形较为适用，而矩形截面不适用于有冻胀地区。小型U形渠道多采用先预制后吊装的施工模式，且U形渠道具有较佳的水力断面，利于输水输沙，有一定的抗土基冻胀能力。尤其在施工和运行管理方面，具有占地少、省工、省料、衬砌速度快等优点，比较适用于冻胀现象较为弱的地区。但是，在寒冷地区，土中水的冻结与冰体的增长会引起土体膨胀，地表会不均匀隆起，渠道容易受到破坏而发生整体移动或出现裂缝。所以，U 形渠道不适用于强冻胀地区。混凝土渠道的渠基在土体稳定时一般为素混凝土，但是当渠基土体的自重在外荷载作用下沿着滑裂面发生剪切破坏的可能性较大时，需要配钢筋保持渠基的稳定。混凝土衬砌的厚度影响因素主要有材料、施工方法及施工时的气候等。比如，在其他条件相同时，无冻胀地区的衬砌厚度要薄于有冻胀地区，采用预制安装施工工艺的混凝土渠道的衬砌厚度，要小于现场浇筑的衬砌厚度。

混凝土衬砌在施工过程中为防止因冻胀、地基不均匀沉降及温度变化等因素引起的变形，一般需要设置伸缩缝。伸缩缝可用高压闭孔板、聚氨酯砂浆或双组缝密封胶等填充。

2.2 沥青混凝土渠道防渗

沥青在沥青混合物内有着防渗和胶结的作用，沥青按其品种分类有石油沥青、软煤沥青、液体石油沥青、乳化石油沥青等。各种沥青在使用时，应根据交通量、气候条件、施工方法、材料来源等情况选用。一般认为石油沥青宜与碱性骨料粘结，但在工程施工时往往离酸性骨料产地较近，而离碱性骨料产地较远。酸性骨料属于亲水性材料，与石油沥青只存在简单的吸附作用。并且酸性骨料与水的粘结性要好于与石油沥青，当遇到水时，容易置换已与酸性骨料粘结的石油沥青，造成沥青衬砌的破坏。我国在当前所用的沥青材料护面主要有沥青席、埋藏式沥青薄膜及沥青混凝土3 种，3 种沥青护面各有其特点及适用范围，在此不一一论述。

2.3 大掺量统排粉煤灰混凝土渠道防渗

粉煤灰是一种火山灰质材料，本身并无胶凝性能，在常温下有水存在时，粉煤灰可以与水进行二次反应，生成难溶于水的水化硅酸钙凝胶。粉煤灰中的主要矿物玻璃体降低了混凝土早期干燥收缩，提高了混凝土的密实性；微细颗粒填充了水泥颗粒间的空隙，增加了水泥胶体的密实度。我国在渠道防渗工程中已有使用粉煤灰混凝土的例子。在近些年，国内外加大了对混凝土复合外加剂的研究，改善了粉煤灰混凝土早期强度低等问题，并且现在工程大量采用了电厂统排灰，这也对污染物的再利用提供了新的思路。

2.4 浆砌石土工膜渠道防渗

浆砌石是使用胶结材料的块石砌体。石块依靠胶结材料的粘结力、摩擦力和石块本身重量来保持稳定。浆砌石衬砌防渗的好坏很大程度上取决于石块间的填筑材料，石块间空隙被填筑密实，那么浆砌石衬砌就具有很好的整体性、密实性和强度，可以防止渗水漏水，增加抵抗侵蚀的能力。但浆砌石衬砌容易被冻胀破坏，且一旦石块间空隙不密实，防渗效果就会很差。土工膜是作为一种以高分子聚合物为基本原料的防水阻隔型材料，近些年来在渠道防渗方面得到了广泛的应用。防渗渠道施工主要过程如下：土方开挖、地基处理、铺设土工膜并焊接牢固、铺设砂浆垫层、砌筑浆砌石衬砌或混凝土预制板。

3 西北干旱内陆河流渠道防渗的思考

西北干旱内陆区，是全国生态高度脆弱的地区。该地区植被结构简单，降水相对偏少，且时空分布不均。经济耗水与生态耗水矛盾突出，随着人类活动的加剧，迫使生态系统进一步向着荒漠化方向演变。水资源的严重短缺，决定了西北地区必须提高水的利用率，才能够保护环境并发展生产。渠道防渗作为节水的一项重要措施，在西北干旱区发挥了很大作用，但也存在一些问题。最主要的是忽略了水资源与生态系统之间的密切联系，追求于“滴水不漏”，忽视了渠道周边的生态用水。由于过度的防渗，使渗入周围固沙植物的水量减少，导致大范围的植物枯死，最终的结果是绿洲逐渐变为荒漠化，半荒漠化景观，适得其反，甘肃民勤绿洲就是一个典型的例子。

要解决存在的问题，就要综合考虑防渗节水、保存固堤乔灌混交林、维持渠侧濒危的植被等。这就要求兼顾技术和经济可行性，采用经济合理的防冻措施或新材料，并要求防渗材料铺砌高度既不能超过渠堤内侧植物栽植位置以防其被清除，并能在输水期间通过渠堤渗漏一定水量以维持渠侧一定范围内浅根系植被的存活，又要求水量损失尽量小以提高渠道输水效率。为此提出了一种工程措施与生物措施相结合的新型渠道防渗案，即塑膜半断面铺设，混凝土格栅填充草泥护坡——植柳护堤联合防渗的方案。较好地解决了上述问题，并且克服了边坡稳定性差的缺点。当然，此种技术还需要进一步地研究，但给与我们很多启示，如在干旱内陆性流域人们在进行水资源开发利用时必须兼顾社会、经济、生态三大效益；采取措施节约用水，提高水的利用率，是干旱区的必由之路，但节水中亦必须考虑生态系统的最低需水等。