青山水輪泵站灌區(qū)渠道防滲技術(shù)應(yīng)用與研究

李少平 趙春玲

（湖南省青山水輪泵站灌區(qū)管理局 臨澧縣 415208）

1 工程概況

青山水輪泵站灌區(qū)是亞太地區(qū)最大的水輪泵站提水灌溉工程，位于湖南省常德市西北部澧水中下游，設(shè)計(jì)流量15.1 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉臨澧、石門、澧縣3.54萬 hm2（53.06萬畝）農(nóng)田。灌區(qū)共有干渠4條，長132.2 km，其中總干25.65 km、設(shè)計(jì)流量15.1 m3/s；北干23.71 km，設(shè)計(jì)流量5 m3/s；中干 13.36 km，設(shè)計(jì)流量 4 m3/s；南干 69.54 km，設(shè)計(jì)流量10 m3/s。共有一級(jí)支渠52條，長186.4 km。斗渠312條，長1 248 km。青山水輪泵站工程建設(shè)，于1966年開工建沒，1972年主要工程基本建成。干、支、斗渠以漿砌石、預(yù)制混凝土板、混凝土砂漿防滲的梯形斷面為主。灌區(qū)自1972年提水受益，累計(jì)提水25億m3，歷史上最大實(shí)灌面積2.1萬hm2（31.5萬畝）。灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的改善，大大促進(jìn)了當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 存在問題

該工程始建于20世紀(jì)60年代末，屬“三邊”工程，先天不足，后天失調(diào)，泵站提水條件差，渠道滲漏嚴(yán)重，工程設(shè)施老化等問題，實(shí)際灌溉面積僅為1.544萬hm2（23.16萬畝），至今仍未達(dá)到設(shè)計(jì)效益。

（1）渠道滲漏嚴(yán)重。

受當(dāng)時(shí)工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件所限，干渠只有總干和南干采用漿砌石加固76 km；采用干砌石加固護(hù)砌的渠段，由于大部分靠群眾運(yùn)動(dòng)完成，施工質(zhì)量差，經(jīng)多年運(yùn)行后近30%的干砌石已被沖毀，勾縫材料脫落，基本上失去防滲功能，水量滲漏嚴(yán)重，且糙率大；未護(hù)砌渠段，經(jīng)過紅壤土、白泥區(qū)，渠道水利用系數(shù)僅0.40。

（2）渠系建筑物老化破損。

干渠渡槽普遍存在露筋、混凝土脫落、槽身裂縫等病險(xiǎn)問題。干渠渠下涵大部分為三合土砌石，有的涵管破裂造成渠道滲漏、塌方失事；有的管徑太小，難以通過山洪，造成渠堤跨坡，加之渠道糙率大，導(dǎo)致渠道嚴(yán)重淤積，厚度達(dá)（5～6）m，渠系水利用系數(shù)僅為 0.38。

3 渠道防滲標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)劃

青山水輪泵站灌區(qū)工程地質(zhì)條件主要為亞粘土、白泥網(wǎng)狀土、風(fēng)化泥質(zhì)頁巖地基，粘壤土土層內(nèi)含大量風(fēng)化石，土料滲漏系數(shù)大，加上渠道險(xiǎn)工隱患多，多次出現(xiàn)渠道塌方?jīng)Q口、山體滑坡等險(xiǎn)情，應(yīng)全面進(jìn)行渠道防滲改造。

渠道防滲節(jié)水改造的總體規(guī)劃是遵循 “優(yōu)先關(guān)鍵性工程、骨干工程，區(qū)別輕重緩急，注重效益優(yōu)先”的原則，首選急需改造且效益明顯的項(xiàng)目，具體就是：先除險(xiǎn)，后加固；先總干，后分干；以防滲、除險(xiǎn)為重點(diǎn)，以節(jié)水、增效為中心，突出科學(xué)管理。其中渠道防滲規(guī)劃首先在加快干渠續(xù)建配套的同時(shí)，對渠道險(xiǎn)工險(xiǎn)段進(jìn)行整體改造；其次對干渠仍維持原梯形斷面，以現(xiàn)澆混凝土防滲體為主，最后配套支渠。

4 渠道防滲結(jié)構(gòu)形式

4.1 干 渠

青山泵站灌區(qū)共有干渠4條，長132.2 km，干渠防滲斷面結(jié)構(gòu)主要為梯形。因原來大部分系干砌石、漿砌石，現(xiàn)改造成混凝土渠，需作水力要素復(fù)核計(jì)算。復(fù)核辦法是重新設(shè)計(jì)斷面，渠底高程，渠道縱坡不變，按明渠流量公式計(jì)算：

式中Q——流量（m3/s）；

ω——過水?dāng)嗝娴拿娣e（m2），ω=（b+mh0）h0；

m——邊坡系數(shù)，按原設(shè)計(jì)不變動(dòng)；

C——謝才系數(shù)，C=R1/6；

n——糙率，取n=0.017；

i——渠道縱坡，i=1/10 000。

現(xiàn)以已完成防滲改造成的總干渠0+150-2+961、18+150-22+734渠段和中干渠0+000-9+000和9+000-13+600渠段為例說明。

（1） 總干渠 0+150-2+961、18+150-22+734渠段。

該渠兩渠段長 7 395 m，設(shè)計(jì)流量（15.10～15.00）m3/s，原采用30 cm厚干砌塊石勾縫，在多年的運(yùn)行中因勾縫材料被沖刷，脫落，渠堤垮坡、穿孔嚴(yán)重，滲漏厲害，實(shí)際灌溉流量不足設(shè)計(jì)流量40%。節(jié)水改造混凝土三面防滲設(shè)計(jì)復(fù)核辦法是重新設(shè)計(jì)斷面，渠底高程，渠道縱坡不變，按明渠流量公式計(jì)算，復(fù)核結(jié)果詳見表1。

（2） 中干渠 0+000-9+000、9+000-13+600渠段。

該渠0+000-9+000、9+000-13+600兩渠段長13 600 m，，設(shè)計(jì)流量（4～2）m3/s，原為土渠，渠堤垮坡、穿孔嚴(yán)重，滲漏厲害，實(shí)際灌溉流量不足設(shè)計(jì)流量20%。節(jié)水改造混凝土三面防滲設(shè)計(jì)復(fù)核辦法是重新設(shè)計(jì)斷面，渠底高程，渠道縱坡不變，按明渠流量公式計(jì)算，復(fù)核結(jié)果詳見表2。

表1 總干渠梯形斷面混凝土襯砌后水力要素復(fù)核成果表

表2 中干渠梯形斷面混凝土襯砌后水力要素復(fù)核成果表

從表1、表2可以看出按8 cm進(jìn)行三面混凝土防滲后，渠道過水深降低，過水流量增加，流速增大，將大大降低渠道淤積量和輸水時(shí)間，即可行又經(jīng)濟(jì)。

4.2 支 渠

青山泵站灌區(qū)共有一級(jí)支渠52條,長186.4 km。支渠改造和續(xù)建主要采用“U”形斷面。因支渠大部分渠基土屬粘壤土土渠，防滲標(biāo)準(zhǔn)要求較高，因此其材料以混凝土為主。渠道襯砌目地除防滲外，還應(yīng)降低糙率，加大流速，滿足輸水挾泥能力。渠道輸水能力根據(jù)明渠均勻流公式計(jì)算：

式中Q——流量（m3/s）；

ω——過水?dāng)嗝娴拿娣e（m2）；

C——謝才系數(shù)，C=R1/6；

N——糙率；

i——渠道縱坡。

從以上公式可以看出，過水?dāng)嗝婷娣e愈小愈經(jīng)濟(jì)，獲得流速愈大輸水能力愈高，而流速與縱坡、糙率、濕周有關(guān)，因此渠道防滲設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理確定渠道斷面結(jié)構(gòu)形式，求得濕周最小時(shí)最佳經(jīng)濟(jì)斷面，選擇防滲材料糙率低，并充分利用地形條件，加大渠道縱坡，從而提高輸水挾泥能力。青山灌區(qū)支渠渠道防滲技術(shù)逐步提高，原為土渠，現(xiàn)主要采用現(xiàn)澆混凝土“U”形斷面；近幾年又使用下鋪一布一膜土工布的現(xiàn)澆混凝土“U”形斷面。

現(xiàn)已建成的七張支渠、八一支渠為例說明。

（1）七張支渠。

該渠控制灌溉面積0.23萬hm2（3.5萬畝），渠長14.6 km，灌溉設(shè)計(jì)流量1.2 m3/s，其中支渠末端有666.67萬hm2（1萬畝）面積為鹽堿地，土地肥力差，種植作物收入很秒，斗農(nóng)渠均沒有開通，則近期需要灌溉流量僅為0.86 m3/s。該渠道原為土渠基礎(chǔ)，縱坡緩，梯形斷面偏大，目前滲漏和淤積嚴(yán)重，特別是渠首2.3 km段的實(shí)際輸水流量0.05 m3/s，該渠基本不能正常灌溉。改造時(shí)，根據(jù)實(shí)際地形減少跌水或降低跌差，加大渠道縱坡，并利用總干渠內(nèi)深，將渠首抬高0.8 m，縱坡調(diào)整為1/1 000。渠道“U”形斷面優(yōu)化比較詳見表 3。

表3 七張支渠“U”形斷面優(yōu)化比較表

從表3可以看出按濕周最小選擇最佳水力斷面時(shí)，半徑R應(yīng)取0.8 m，按每米混凝土體積選時(shí)，半徑R應(yīng)取0.5 m，但考慮到近期過水流量和工程投資時(shí)，半徑R應(yīng)取0.6 m、渠深1 m。

（2）八一支渠。

該渠位于青山灌區(qū)結(jié)瓜水庫—同歡水庫的一級(jí)渠道，為續(xù)建渠道，渠長3 km，灌溉面積0.07萬hm2（1.05萬畝），設(shè)計(jì)流量0.36 m3/s，其中種植稻谷占到80%，則實(shí)際經(jīng)常灌溉流量為設(shè)計(jì)流量90%。首先優(yōu)化渠道縱坡，由于地形較緩，地面坡降為1/3 000，結(jié)瓜水庫水位為經(jīng)濟(jì)水位時(shí)渠道水深為1.6 m，則支渠渠首高程在干渠渠底基礎(chǔ)上抬高l m時(shí)仍能滿足引水，即可將渠道縱坡調(diào)為1/1 500。其次優(yōu)化渠道“U”形斷面，比較詳見表4。

表4 八一支渠“U”形斷面優(yōu)化比較表

從表4可以看出按濕周最小選擇最佳水力斷面時(shí)，半徑R應(yīng)取0.6 m，但考慮到經(jīng)常過水流量和最小過水流量情況及挾泥能力時(shí)，半徑R應(yīng)取0.5 m更合適。

總之，支渠改造和續(xù)建配套時(shí)，宜選用混凝土“U”形斷面，充分利用地形條件，其縱坡一般不小于1/1 000，最緩不小于1/1 500，輸水挾泥能力才能滿足要求。從實(shí)施的情況看，采用混凝土“U”形斷面改造支渠具有輸水快、省地、省水、省工、節(jié)水、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是小型支渠節(jié)水配套的發(fā)展方向。

5 渠道防滲施工

5.1 渠道土基施工

渠道土基是混凝土防滲體的基礎(chǔ)，其密實(shí)程度直接關(guān)系到渠道的穩(wěn)定性和防滲效果。施工中必須嚴(yán)格碾壓夯實(shí)，使其密度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。首先，渠道測量放線時(shí)，要嚴(yán)格控制高程，其次進(jìn)行渠道土基施工。土基施工分為挖方和填方。對于挖方渠道，僅在原狀土體上開挖的土模并不一定能滿足要求，必須予以夯打或碾壓。小斷面渠開挖至渠頂后，采用振動(dòng)碾碾壓，影響深度大于渠深，然后開挖，并嚴(yán)防超挖；大斷面渠開蹬分層開挖后，再夯實(shí)，影響深度大于渠基，然后開挖。對于填方渠道，小斷面渠全斷面分層回填，再按要求開挖；大斷面填方渠道為節(jié)省填土方量，底部整體分層夯實(shí)到渠底以上20 cm后，再分兩邊渠堤分層夯實(shí)，夯實(shí)采用機(jī)械碾壓。舊梯形渠道改造時(shí)，首先嚴(yán)格清基，對淤泥土、腐殖土、混凝土預(yù)制板等雜物必須清理干凈，渠底采用打夯機(jī)夯打回填夯實(shí)土，斜坡采用開蹬分層幫坡，機(jī)械夯打，最后再開挖削坡。開挖削坡必須分兩道工序：

（1）粗削，每20 m挖一個(gè)斷面槽，對坡面土方進(jìn)行粗削。

（2）精削，在粗削的基礎(chǔ)上，每10 m挖一個(gè)斷面槽，拉平線，推橫線，走斜線削出基面，使底弧面、邊坡均符合規(guī)范要求，達(dá)到混凝土澆筑的要求。削坡要求每100 m為一個(gè)分項(xiàng)驗(yàn)收段，經(jīng)檢查合格后，才能進(jìn)行下道工序工作。

5.2 渠道混凝土防滲層的施工

渠道現(xiàn)澆混凝土防滲層施工技術(shù)方法主要有三種：

（1）“U”形機(jī)施工。

目前青山灌區(qū)金星機(jī)械廠生產(chǎn)的專用現(xiàn)澆混凝土機(jī)襯砌“U”形渠道規(guī)格有 D30—D200，輸水流量達(dá) （0.02～6.5）m3/s， 可以滿足支架以下所有“U”形渠的機(jī)械化施工，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，施工速度快，混凝土質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。對于斗、農(nóng)渠斷面較小的，分布較廣，可采用預(yù)制廠機(jī)械預(yù)制，現(xiàn)場安裝，以增加施工速度。

（2）現(xiàn)澆混凝土滑模澆筑。

青山灌區(qū)干渠均為現(xiàn)澆混凝土梯形斷面，使用現(xiàn)澆混凝土滑模技術(shù)，采用間隔跳倉法施工，渠底采用立側(cè)板，混凝土人倉，平板振搗器振搗；渠坡混凝土采用半機(jī)械法澆筑，每倉設(shè)邊模，用一個(gè)較重的鋼制滑動(dòng)板（自重不少于210 kg），鋼制滑動(dòng)板的滑行采用兩速手搖卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)10 cm的鋼絲繩進(jìn)行上滑牽引，在滑架上用插入式振搗器在滑板前振搗，隨鋪隨振，具有操作簡單、施工快，質(zhì)量高等特點(diǎn)。

5.3 混凝土渠道防滲施工應(yīng)注意的幾個(gè)問題

渠道混凝土防滲層屬薄殼混凝土，除了使用新的施工技術(shù)、注重土模開挖質(zhì)量外必須控制好以下幾個(gè)方面：

（1）混凝土配合比。

合理選用原材料，并通過試驗(yàn)確定強(qiáng)度、抗?jié)B標(biāo)號(hào)均滿足設(shè)計(jì)要求混凝土配合比，并滿足施工要求的和易性。

（2）及時(shí)切縫和收面。

“U”形機(jī)現(xiàn)澆的混凝土渠是連續(xù)的，要求必須振出原漿，應(yīng)及時(shí)據(jù)設(shè)計(jì)要求切縫和收面。為了確保渠道表面光滑減少糙率，混凝土振搗完后及時(shí)用木模子將原漿打平，再用鐵模子收光，渠下部分含水量較大，可摻加少量水泥與原漿同時(shí)收光，上部原漿的含水量少，可用少量1∶1.5水泥砂漿與原漿同時(shí)收光，保證面層與混凝土防滲體緊密結(jié)合，使其表面光、平、實(shí)、展，整齊美觀。

（3）伸縮縫填塞。

青山灌區(qū)對接縫處理工作和止水材料的選用非常重視，目前大斷面渠道采用復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)形式，混凝土板下全鋪或縫下局部鋪設(shè)一布一模土工布，橫縫內(nèi)填性能較好的聚氯乙烯膠泥，無土工布時(shí)，在縫內(nèi)還加塑料板止水帶，縱縫內(nèi)為了施工方便一般使用瀝青油氈板。支渠的伸縮縫采用價(jià)格較低的新型止水材料——焦油塑料膠泥，其施工方便，造價(jià)低，止水效果較好，在灌區(qū)已得到了廣泛應(yīng)用?；炷练罎B渠的伸縮縫填塞前，務(wù)必將伸縮縫清理干凈，填料必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，填充時(shí)注意使填料與縫壁、縫底充分粘結(jié)，并均勻地達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，做到縫形整齊、尺寸合格、填充密實(shí)、表面平整。

（4）土工布的鋪設(shè)。

大斷面混凝土防滲渠，混凝土板下鋪設(shè)土工布，形成雙層防滲結(jié)構(gòu)，減少滲漏。鋪設(shè)時(shí)按照土工布的幅寬，先鋪設(shè)第一序土工布，必須寬于混凝土的分塊尺寸且留出兩邊粘接尺寸（一般粘接法留邊l0 cm），鋪設(shè)前根據(jù)渠道的坡長提前裁剪。鋪設(shè)土工布時(shí)從渠道一邊向另一邊橫向鋪設(shè)，土工布要求有一定的松弛度，并緊貼渠基土模，鋪設(shè)速度應(yīng)與混凝土澆筑速度相配合，避免土工布裸露時(shí)間過長遭日曬及人為的損壞。

6 渠道防滲節(jié)水效益

青山灌區(qū)是亞太地區(qū)最大的提水灌區(qū)，注重發(fā)展節(jié)水灌溉，使用和探索渠道防滲技術(shù)，其水平不斷提高。從1998年實(shí)施節(jié)水續(xù)建配套改造項(xiàng)目工程以來，累計(jì)維修改造干渠50 km，支渠40 km，配套灌溉面積3.33萬hm2（20萬畝），渠系水利用系數(shù)明顯提高，節(jié)水效益十分顯著，年減少滲漏量650萬m3，年減少清淤費(fèi)用30萬元。從項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益來分析（計(jì)算期n=31年，建設(shè)期1年、生產(chǎn)期30年，社會(huì)貼現(xiàn)率12%），年度項(xiàng)目內(nèi)部收益率均超過27%，遠(yuǎn)大于IS=12%；經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值均超過1 000多萬元，遠(yuǎn)大于零；益本比B/C=2.31，遠(yuǎn)大于1，說明該項(xiàng)目工程經(jīng)濟(jì)上是可行的，是一費(fèi)省、效宏、見益快的工程。