洛惠渠東干渠流泥段治理方案及運(yùn)行效果分析

賈志勝

(陜西渭南市洛惠渠管理局,陜西 大荔 715100)

洛惠渠灌區(qū)始建于 1934年,1950年開灌,是北洛河流域最大的灌區(qū),自澄城縣狀頭村自流引洛河水,灌溉大荔、蒲城、澄城三縣 74.32萬畝農(nóng)田。東干渠為灌區(qū)輸水的骨干渠道,于 1958年建成投入運(yùn)行。該渠西起總干渠 5#隧洞出口的義井分水閘,東至黃河西岸,全長 26.5 km,沿渠設(shè)四條支分渠和斗渠 13條。原渠道斷面采用梯形,比降 i=1/3 000,設(shè)計(jì)流量 Q=7 m3/s。東干渠灌溉大荔縣 7個鄉(xiāng)鎮(zhèn) 26萬畝農(nóng)田,占洛惠渠灌區(qū)有效灌溉面積的 35%,區(qū)內(nèi)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)人口 16.25萬人。渠道建成并運(yùn)行半個多世紀(jì),為抵御干旱洪澇災(zāi)害,改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生活改善,發(fā)揮了巨大作用,取得顯著的經(jīng)擠效益和社會效益。但在創(chuàng)造輝煌效益的同時,流泥病害導(dǎo)致工程系統(tǒng)的輸水效率低下,灌區(qū)供水能力嚴(yán)重不足。

1 東干渠流泥段成因分析

1.1 流泥段概述

洛惠渠東干渠 1958年建成后運(yùn)行不久便出現(xiàn)流泥病害,渠坡因流泥滑塌十分嚴(yán)重。渠道坍塌以 4+950～6+150段及 9+500～14+700段最為嚴(yán)重。 4+950～6+150段 1967年村砌,1969年即滑塌,9+500～12+350段 1974年完成襯砌,次年春即全部滑塌,至 2001年滑塌延伸至 18+800處,總長達(dá)到 10.5 km,占東干渠總長度的 41.2%,形成有名的東干渠流泥段。

東干渠原設(shè)計(jì)斷面為梯形,設(shè)計(jì)渠底寬 2.2 m、渠深2.6m、邊坡 1：1、口寬 7.4m;渠道坍塌后,渠口塌至 12 m左右,渠深因滑塌淤積不足 2m,渠不成形,輸水能力由設(shè)計(jì)的7m3/s下降到 3.5 m3/s,渠道引水能力嚴(yán)重不足,運(yùn)行效率下降,嚴(yán)重影響東干渠系統(tǒng) 26萬畝農(nóng)田的正常灌溉。

1.2 成因分析

東干渠沿黃土臺塬坡腳與洛河三級階地后緣由西向東布設(shè),渠道穿過潛水層。東干渠沿線地下水為孔隙潛水,降雨及灌溉入滲是其主要補(bǔ)給來源,流向從北向南。多年來由于灌溉滲漏,地下水位逐年升高,東干渠沿渠線表現(xiàn)為地下水位上段大致與渠底齊平,中段埋深在 1.3～2.0 m,高于設(shè)計(jì)渠底,下段低于渠底,成為一地下水丘,向東、西兩側(cè)運(yùn)動。

在渠深范圍內(nèi),土壤主要為第四系上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)風(fēng)積 ～坡積黃土狀亞粘土,土壤滲透系數(shù)平均值為 7.8×10-4cm/s,屬弱透水層。同時,土壤顆粒較細(xì),粘粒含量高。在地下水滲透力作用下,渠坡易發(fā)生流土破壞。

渠道水位低于渠坡地下水位時,地下水位與渠道水位便有一個水位差 H,當(dāng)渠道放空時此 H值最大。冬季,地下水位以下土壤在飽和情況下凍結(jié),而翌年春融解凍前,邊坡后背地下水位調(diào)壅接近水平。當(dāng)土體融透時,地下水位便以最短滲徑從邊坡逸出。此時,水力梯度最大。在產(chǎn)生水位差時,水對土骨架就產(chǎn)生滲透力 j=i?rw(t/m2),其方向與滲透方向一致,其值等于水力梯度。

單位土體內(nèi)的滲透力與土的浮容重達(dá)到平衡時,土顆粒即處于懸浮狀而失去穩(wěn)定,此時的水力梯度即為臨界水力梯度(ic)。當(dāng)水流逸出處的水力梯度為 ie＞ic土體處于流土狀態(tài),已經(jīng)破壞失穩(wěn)。依據(jù)地質(zhì)報(bào)告及大荔氣象站土壤凍結(jié)資料,坍塌流泥嚴(yán)重段,地下水位高于渠底 1.25 m。經(jīng)計(jì)算分析,東干渠土體在現(xiàn)狀坡比 1∶1情況下邊坡不穩(wěn)定,處于流土狀態(tài)。

可見地下水位偏高和渠道邊坡 1∶1偏陡是東干渠坍塌流泥破壞的主要原因。

2 治理方案

2001年利用世行貸款項(xiàng)目對東干渠流泥段最為嚴(yán)重的9+500～14+000進(jìn)行改造。在改造過程中,針對東干渠流泥段形成的原因,根據(jù)地下水位與渠底高程的相對關(guān)系,分段采取兩種不同的治理方案。

2.1 9+500～11+950段,采用機(jī)井降水、現(xiàn)澆砼板膜復(fù)合結(jié)構(gòu)襯砌方案

該段地下水位最高在渠底以上 1.3m,采用機(jī)井降水、現(xiàn)澆砼板膜復(fù)合結(jié)構(gòu)襯砌方案進(jìn)行治理。通過滲流、地下水位下降曲線等計(jì)算,并借鑒其他類似工程井距、井深的布置經(jīng)驗(yàn),在地下水流來向(渠北岸)外側(cè)每隔 60m打一眼機(jī)井,共打機(jī)井 40眼,井深 45m,機(jī)井孔徑為 70 cm,井管采用 50 cm無砂混凝土管。采用 200QJ50一 26/2型潛水泵,單機(jī)出水量 40m3/h。渠道橫斷面采用抗凍脹能力強(qiáng)的弧底梯形斷面,針對渠道邊坡 1∶1不穩(wěn)定的情況,通過計(jì)算,邊坡采用1∶1.5。渠道襯砌形式采用現(xiàn)澆砼板膜復(fù)合結(jié)構(gòu),襯砌材料選用 C15、F50、W 4現(xiàn)澆砼,板厚 10 cm,防滲膜料選用 0.2mm、100 g/m2一布一膜復(fù)合防滲土工布,膜料設(shè)置于現(xiàn)澆砼板和夯實(shí)、平整好的渠床之間,膜料層是復(fù)合式襯砌的防滲主體。

2.2 11+950～14+000段,采用漿砌石襯砌設(shè)無砂砼排水塊排水方案

該段地下水位在渠底以上 0.5m,對該段的襯砌治理,關(guān)鍵是要保證在渠道水位低于地下水位或渠道不引水時,地下水能順利排出,從而保證渠道邊坡穩(wěn)定。因此,渠道襯砌設(shè)計(jì)形式采用漿砌石設(shè)無砂砼排水體襯砌形式,斷面采用弧底梯形型式,弧底半徑 R=3.6 m,坡比 1∶1.5,襯砌高度2.0m,襯砌厚 30 cm;每 10m設(shè)一道橫向伸縮縫,在圓弧與斜坡連接處設(shè) 2條縱向伸縮縫,且在渠坡設(shè)兩道排水孔,呈梅花狀布置,相鄰孔間距 1.5 m。梅花型布設(shè)的無砂砼透水體,其臨土側(cè)鋪設(shè)土工織物,砌石襯砌下鋪設(shè)砂礫料反濾墊層。當(dāng)渠道水位低于地下水位或渠道不引水時,地下水則通過無砂砼塊排人渠中。該方案具有施工方便、便于管理、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),但投資相對較高。襯砌方案如圖 1。

圖1 襯砌方案

3 治理效果分析

東干渠流泥段治理工程實(shí)施完成后,治理段渠道的流泥病害得以消除,輸水條件得以改善,使治理段過水能力由改造前的 3.5m3/s恢復(fù)到 7.03/s。

3.1 機(jī)經(jīng)降水方案效果

9+500～11+950段采用機(jī)井降水方案,經(jīng)過建成以來的觀測和觀察,該渠段地下水位明顯下降,流泥塌岸得到有效控制。通過典型井的地下水位變化觀測資料分析,初步得出的降水效果是：(1)抽水前沿線地下水位距井口 1.8～2.8m(高于渠底 1.0～0 m)抽水運(yùn)行 17個月后,地下水位距井口 6.2～8.5 m(低于渠底 3.4～5.7 m),平均下降5.5m,水位趨于穩(wěn)定。(2)據(jù)對典型井的觀測,在無大的降雨影響時,最長停機(jī)時間 4個月(此段時間有效降雨小于10mm),地下水位無明顯回升;當(dāng)有效降雨達(dá) 135 mm時,地下水位上升距渠底 1.0 m。(3)抽水運(yùn)行后,井群兩側(cè)地面出現(xiàn)明顯的沉降變形,土地鹽堿化顯著減輕。

同時,該方案抽取的地下水可以摻入渠水用于灌溉,在一定程度上達(dá)到補(bǔ)水效果。

但 2003年 7～10月四個月降雨達(dá) 527.4 mm,接近歷年同期 2倍,導(dǎo)致渠岸兩邊耕地形成大面積明水,渠坡土壤飽和。由于降雨偏多造成電力線路破壞,降水方案受到影響,沒有正常降水,導(dǎo)致地下水位無法降到渠底以下,造成襯砌承受較大外水壓力,該段渠道 800m出現(xiàn)滑塌。2004年對該段滑塌渠道采用漿砌石襯砌設(shè)無砂砼排水塊排水方案進(jìn)行了修復(fù),至今運(yùn)行良好。

3.2 漿砌石襯砌設(shè)無砂砼排水塊排水方案效果

11+950～14+000段采用漿砌石襯砌設(shè)無砂砼排水塊排水方案經(jīng)過多年運(yùn)行,渠道邊坡穩(wěn)定,排水效果良好,沒有出現(xiàn)任何流泥破壞;同時,該方案運(yùn)行費(fèi)用低,對日常維護(hù)要求不高。

4 結(jié)論與意見

根據(jù)近年來的運(yùn)行觀測,漿砌石襯砌設(shè)無砂砼塊排水體方案是解決地下水位高出渠底地質(zhì)條件下采取的有效工程措施。建議在類似地質(zhì)條件的渠道改造中,運(yùn)用該襯砌方式,雖然此方案成本較大,但可以從根本上解決渠道襯砌滑塌問題。2010年灌區(qū)續(xù)建配套項(xiàng)目對東干渠上段流泥段的治理過程中,便采用漿砌石襯砌設(shè)無砂砼塊排水體的襯砌方案,目前已施工完成。針對東干渠目前采用的兩種方案,在以后的日常運(yùn)行過程中建議：

(1)機(jī)井降水段。井點(diǎn)降水是保證渠坡穩(wěn)定的先決條件,保證地下水位始終在渠底 1.0 m以下,才能保證渠坡及砼襯砌的穩(wěn)定。因此須加強(qiáng)排水設(shè)施管理,克服“重建輕管”的思想,定期檢查和觀測,修復(fù)損壞的降水井,整修電力線路和電器設(shè)備,保證其正常運(yùn)行,有效控制地下水位。同時,須在長期降水過程中,進(jìn)一步總結(jié)井點(diǎn)降水的規(guī)律性,合理降水。

(2)砌石襯砌段。因洛河水源含沙量較大,容易堵塞無砂砼排水塊,因此,需要加強(qiáng)管理,在每一次灌水后能及時清淤,保證無砂砼排水塊排水通暢、不堵塞。

[1]洛惠渠志編纂委員會.洛惠渠志[M].陜西：陜西人民出版社,1995.

[2]肖建偉,肖建新,吳少華.水在滑坡變形過程中所起作用的探討[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2007,(6).

[3]工程地質(zhì)手冊.工程地質(zhì)手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.