阿克蘇地區(qū)渠道防滲結(jié)構(gòu)型式探究

張學(xué)榮

阿克蘇地區(qū)是自治區(qū)的農(nóng)業(yè)大區(qū)，地方灌區(qū)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)灌溉總面積70.2×104hm2，占自治區(qū)總灌溉面積393.33 ×104hm2［2］的17.85%。由于地區(qū)可利用的水資源有限，隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)業(yè)灌溉供需水矛盾日益突出，據(jù)統(tǒng)計地區(qū)每年缺水達到5～7×108m3左右。大搞農(nóng)田水利基本建設(shè)，進行灌溉渠道防滲改建和農(nóng)業(yè)高效節(jié)水，已是當(dāng)前緩解春秋季節(jié)旱情，以節(jié)水求發(fā)展的主要水利工程措施。根據(jù)近些年在阿克蘇地區(qū)已實施的渠道防滲改建工程建設(shè)及運行情況，現(xiàn)對地區(qū)防滲渠道橫斷面型式及其結(jié)構(gòu)型式的選擇進行探討，為今后在阿克蘇地區(qū)范圍內(nèi)進行防滲渠道橫斷面設(shè)計選擇提供參考。

1 阿克蘇地區(qū)概況

阿克蘇地區(qū)位于天山南麓中段，塔里木盆地北緣。地處東經(jīng) 77°30'～84°07＇，北緯 39°30＇～42°10＇之間。國土總面積13.25 ×104km2，其中:山地3.87×104km2，平原 5.22 ×104km2，沙漠 4.04 ×104km2。地區(qū)境內(nèi)西北高東南低，海拔由山區(qū)7435.29 m到平原881.0 m，主要地貌類型有天山山地、山間盆地、天山南麓山前傾斜平原、河流沖洪積平原及沙漠。

阿克蘇地區(qū)屬典型的大陸型暖溫帶干旱氣候，光照充足，熱量豐富，降水量少，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差大，無霜期長。年平均氣溫為8.8～12.4℃，一月份平均氣溫為－5.6℃，七月份平均氣溫為25℃，歷年最大凍土深度0.62～1.03 m(拜城縣最大為1.03 m，下游平原灌區(qū)阿瓦提縣、沙雅縣最小為 0.62 m)。最大年降水量為43.9～150.1 mm，年均蒸發(fā)量為 1 227.8 mm，山區(qū)蒸發(fā)量隨海拔增高而減少。主要災(zāi)害性氣候有春寒，春旱，干旱，沙塵暴，大風(fēng)，冰雹，干熱風(fēng)，洪災(zāi)，暴雨，霜凍等。地區(qū)轄八縣一市，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)一師16個團場分布在地區(qū)境內(nèi)，全地區(qū)總?cè)丝诮?25×104人。灌區(qū)灌溉水源主要來自塔里木河、阿克蘇河、渭干河三大水系，大小河流16條，全地區(qū)平均年實際可利用的地表水資源為72.2×108m3(不含農(nóng)一師)。

2 阿克蘇地區(qū)現(xiàn)有渠道的基本情況

截止2009年底，阿克蘇地區(qū)有干、支、斗、農(nóng)灌溉渠道總長32 418.29 km，防滲渠道總長9 636.77 km。其中:干渠防滲后渠道水利用系數(shù)由0.8提高到0.95;支渠防滲后渠道水利用系數(shù)由0.8提高到0.94;斗渠防滲后渠道水利用系數(shù)由0.8提高到0.92;農(nóng)渠防滲后渠道水利用系數(shù)由0.88提高到0.92［3］。渠系水利用系數(shù)達 0.45。通過堅持不懈地開展渠道防滲工程建設(shè)，渠系水利用系數(shù)明顯提高，灌區(qū)渠道輸水速度明顯加快，灌水周期由過去的20天縮短到7～10天，農(nóng)作物得到適時適量灌溉，水分利用率有效提高，農(nóng)作物毛灌溉定額明顯下降。

目前在地區(qū)采用的渠道防滲斷面型式有2種類型:梯形和“U”型渠道。渠道防滲橫斷面結(jié)構(gòu)型式有6種類型:砼+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式、砼單防結(jié)構(gòu)型式、塑膜單防結(jié)構(gòu)型式、漿砌石+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式、漿砌石單防結(jié)構(gòu)型式、干砌石灌漿防滲結(jié)構(gòu)型式。常用的有砼+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式、砼單防結(jié)構(gòu)型式。同時在渠道防滲工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中要解決好滲漏、凍脹、揚壓力、沖刷、磨損、淤積、冰凌、鹽脹、腐蝕、防洪、風(fēng)蝕等問題［3］。

3 各類橫斷面結(jié)構(gòu)型式的特點

根據(jù)渠道的設(shè)計流量、流速、渠道沿線的地層巖性、地下水位、施工條件、投資等綜合因素確定渠道的橫斷面結(jié)構(gòu)型式。

3.1 砼+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式

一般用在流量大于1 m3/s的干、支渠上，渠道斷面結(jié)構(gòu)型式為:橫斷面設(shè)計為梯形，邊坡采用6 cm厚C20預(yù)制砼六棱板、2 cm M5或M10砂漿找平層，渠底8 cm厚C20現(xiàn)澆砼板襯砌防沖;全段面下設(shè)0.3或0.5 mm塑膜防滲、砂礫石(根據(jù)當(dāng)?shù)氐目箖霾牧弦部蛇x用風(fēng)積砂或苯板)防凍體抗凍。封頂板為8×30 cm C15現(xiàn)澆砼板。渠底現(xiàn)澆砼板結(jié)構(gòu)縫采用4 mm改性油氈填縫;邊坡預(yù)制板結(jié)構(gòu)縫采用C20細粒砼填縫，縫寬2 cm;渠道每7 m左右設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，采用聚氨酯砂漿加苯板填縫。

流速在2 m/s以上的渠道，采用全斷面現(xiàn)澆砼板護面。在大中型渠道橫斷面設(shè)計中還可采用弧形坡腳梯形斷面結(jié)構(gòu)型式，使渠道的水力條件、抗凍脹能力更優(yōu)越。阿克蘇地區(qū)已實施的塔河項目大部分采用的是這種結(jié)構(gòu)，已實施的工程其運行情況良好。

3.2 砼單防結(jié)構(gòu)型式

一般用在流量小于1 m3/s的支、斗渠上，渠道斷面結(jié)構(gòu)型式為:橫斷面設(shè)計為梯形或U型(根據(jù)斷面尺寸大小，一般流量在0.5～1.0 m3/s的用梯形;0.5 m3/s的以下渠道采用U型，U型渠道有占地少的特點)。斷面結(jié)構(gòu)除不設(shè)防滲膜外，其它均與砼+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式相同。

U 型渠道采用4.5 ～5.5cm 厚 C20“U”型預(yù)制砼板護砌防沖、砂礫石(根據(jù)當(dāng)?shù)氐目箖霾牧弦部蛇x用風(fēng)積砂)抗凍的結(jié)構(gòu)形式。預(yù)制板結(jié)構(gòu)縫采用C20細粒砼填縫，渠道每6 m左右設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，采用聚氨脂砂漿填縫。封頂板采用C15現(xiàn)澆砼(8×30 cm)。

根據(jù)近幾年阿克蘇地區(qū)已建塔河項目工程運行狀況，采用風(fēng)積沙作為防凍體的渠道，在砼板下最好設(shè)一層防滲塑膜，防止由于砼板分縫處理不好，水流掏刷砼板下風(fēng)積沙，造成渠道邊坡垮塌破壞現(xiàn)象。

3.3 塑膜單防結(jié)構(gòu)型式

一般渠道縱坡在1/3000以上的、砂石料較缺乏、建設(shè)資金短缺的下游灌區(qū)較緩渠道上使用，渠道斷面結(jié)構(gòu)型式為:橫斷面設(shè)計為梯形，膜上鋪設(shè)40～50 cm的土層保護。根據(jù)近幾年在沙雅縣塔河灌區(qū)實施的塑膜單防結(jié)構(gòu)型式的渠道工程運行情況，該防滲型式在工程運行中，初期防滲效果較好，但由于水流流速慢，渠道易滋生雜草或受凍融破壞、淤積，渠道清淤時易造成防滲膜破壞，失去防滲作用，建議在資金較充足的情況下盡量不選擇此種防滲的結(jié)構(gòu)型式。

3.4 砌石+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式

一般在上游灌區(qū)采用砌石+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式，是為了充分利用當(dāng)?shù)氐慕ㄖ牧希瑫r也為加大渠道糙率降低流速而采用的一種渠道設(shè)計的結(jié)構(gòu)型式，橫斷面設(shè)計為梯形，全斷面為20～30 cm厚C20砼漿砌卵石襯砌，下設(shè)0.5 mm塑膜加砂礫石防凍體的結(jié)構(gòu)型式。封頂板采用8×30 cm C20砼。10 m設(shè)一道沉降縫，縫寬2 cm，采用聚氨脂砂漿填縫。比如塔河項目中紅旗坡農(nóng)場和實驗林場柯柯牙爾干渠上段橫斷面采用的漿砌石+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式。

3.5 漿砌石單防結(jié)構(gòu)型式

其斷面結(jié)構(gòu)型式除不設(shè)防滲膜外，其它均與漿砌石+塑膜雙防結(jié)構(gòu)型式基本相同，如拜城縣木扎提河大型灌區(qū)項目大宛其干渠，從2001～2007年完成了22.15 km漿砌石單防結(jié)構(gòu)型式渠道，目前工程運行情況良好。

3.6 干砌石灌漿防滲結(jié)構(gòu)型式

在溫宿縣、拜城縣、烏什縣、庫車縣、柯坪縣部分干渠上使用過，主要用在流速較大的渠道上，以增加渠道糙率降低流速，施工上要求石頭要大頭下、小頭上、砌成三角縫，踢不掉、拔不出，要求灌漿用鋼釬震實，由于施工質(zhì)量要求較高，目前大部分施工單位人員對干砌石灌漿施工工藝不熟悉，施工單位人員素質(zhì)達不到要求，所以目前采用的較少。

4 渠道防滲中抗凍脹厚度的計算及材料的選擇

阿克蘇地區(qū)為寒冷地區(qū)(拜城縣為嚴寒地區(qū))，渠道防滲工程設(shè)計中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是抗凍脹設(shè)計，防止渠道及建筑物在冰、凍融和凍脹作用下遭受破壞，影響渠道的運行安全［4］。

4.1 抗凍脹厚度的計算

1、設(shè)計凍深計算

依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》SL23－2006，渠系工程設(shè)計凍深按下式計算［5］:Zd=Ψd×Ψw×Zm

式中:Zd——渠系工程的設(shè)計凍深(cm);

Zm——歷年最大凍深(cm);

Ψd——考慮日照及遮蔭程度的修正系數(shù);

Ψw——地下水影響系數(shù)。

①其中Ψd根據(jù)工程地點所在緯度及建筑物走向，按公式計算:Ψd=α+(1－α)×Ψi

其中Ψi依據(jù)規(guī)范查圖取值，α可根據(jù)工程所在的氣候區(qū)依據(jù)規(guī)范查圖取值

②地下水凍深影響系數(shù)Ψw按下式計算取值:

依據(jù)不同的凍前地下水位深度，結(jié)合渠床土質(zhì)，確定Ψw值:

式中:

ZW0——鄰近氣象臺的凍前地下水水位埋深值(m);

ZWi——計算點凍前地下水位深度(m);β——系數(shù)，依據(jù)規(guī)范結(jié)合渠床土質(zhì)取值。

③依據(jù)上述原則確定的Ψd值和Ψw值，根據(jù)歷年最大凍深值Zm，計算不同地下水位埋深設(shè)計凍深值。要分別計算渠道陰陽坡和底板的設(shè)計凍深，為渠道在不同部位的防凍墊層換填厚度設(shè)計提供依據(jù)。

2 基土凍脹量計算及土的凍脹性級別確定［5］:

基土凍脹量計算按下式:hf—基土凍脹量，mm;

h—工程地點天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量，mm;

Zf—基礎(chǔ)下的設(shè)計凍深，m;

Zd—設(shè)計凍深，m;

δC—基礎(chǔ)板厚度，m;

δw—底板之上冰層厚度，m。

根據(jù)不同的地下水位、邊坡系數(shù)、渠道走向，計算出渠道凍脹量值，再根據(jù)渠道沿線地下水位埋深，計算出工程地基土凍脹量，依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》第3.3.2規(guī)定，判定工程基土的凍脹性級別。根據(jù)規(guī)范，當(dāng)渠道斷面為梯形時，砼襯砌結(jié)構(gòu)允許法向位移值為5～10 mm，漿砌石襯砌結(jié)構(gòu)允許法向位移值為10～30mm，如果項目區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹位移值大于允許法向位移值，必需采取抗凍脹措施。

4.2 抗凍脹材料的選擇

抗凍脹材料盡量選擇當(dāng)?shù)氐纳暗[石和風(fēng)積沙材料作為渠道的抗凍換填材料，且在挖方渠道或半填半挖渠道，為避免渠道兩側(cè)灌溉對渠道邊坡產(chǎn)生側(cè)滲，使渠道邊坡板整體遭受頂托破壞，必須采用砂礫石和風(fēng)積沙作抗凍材料，以確保渠道運行安全;對填方渠道根據(jù)投資比較，可優(yōu)選苯板、砂礫石或風(fēng)積沙。

5 渠道防滲工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中要注意的幾點問題

在渠道工程設(shè)計中，渠線選擇要充分結(jié)合灌區(qū)現(xiàn)狀，滿足灌區(qū)灌溉，并符合灌區(qū)發(fā)展規(guī)劃的要求，扎實做好渠道地勘和測量工作，并會同當(dāng)?shù)厮芾聿块T做好渠道沿線建筑物調(diào)查，為工程設(shè)計提供可靠的依據(jù)，避免工程實施中出現(xiàn)大的設(shè)計變更。渠道的橫斷面結(jié)構(gòu)型式根據(jù)渠道沿線地層巖性、地下水埋深、地形縱坡、建筑物布置、建筑材料分布、施工條件、投資、工程抗凍脹及安全運行等因素，盡量使渠道總的工程量或工程費用合理，確保安全、經(jīng)濟，以滿足防滲、防沖等各項性能，來進行渠道縱橫斷面設(shè)計的選擇［6］。

在防滲渠道橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該考慮縱斷面設(shè)計，根據(jù)外業(yè)踏勘成果，結(jié)合測量、地質(zhì)勘察成果，要注意解決保護渠道使用功能、保護渠道安全功能11個方面的問題:

5.1 防滲漏

主要針對地下水位在渠底以下大于0.5 m的透水渠床的渠道，渠道設(shè)計中一般都要采取防滲措施，防滲體選用塑膜或砼板，以防止渠道沿線水量滲漏損失，節(jié)約水量，可緩解春季缺水矛盾。要注意的是在建筑物陡坡后的一段渠道和靠近水庫的渠道不要采取防滲措施。

5.2 防淤積

主要針對流速小于0.5～0.6 m/s的渠道。在阿克蘇地區(qū)均是多泥沙河流，在灌區(qū)下游，渠道淤積很普遍。進行工程防滲改造設(shè)計時，一般要考慮在渠首設(shè)沉砂設(shè)施(沉沙條渠或箱式沉砂池)，以減少渠道淤積。同時在今后的管理上要嚴格執(zhí)行設(shè)計要求進行沖沙、清淤。

5.3 防沖刷

渠床不沖流速在規(guī)范中已有明確規(guī)定，經(jīng)過近些年阿克蘇地區(qū)實施的世行項目、日協(xié)項目、塔河項目，總結(jié)出:對全斷面砼防護的現(xiàn)澆板渠道，防沖流速不易超過3 m/s或3.5 m/s;對預(yù)制板防護的渠道，防沖流速不易超過2 m/s或2.5 m/s;對漿砌石渠道，防沖流速不易超過3.5m/s;對于棄料石防護的渠道，防沖流速不易超過1.5 m/s;對于土渠防沖流速不易超過0.8m/s，經(jīng)過實踐證明，這樣控制的渠道運行狀況良好。

5.4 防冰凌

對于寒冷地區(qū)冬季發(fā)電運行或春季早春灌渠道，渠道流速不易小于1.5m/s，否則渠道易受流凌作用形成岸冰危害，影響渠道過流斷面，最后導(dǎo)致渠道被冰凌淤塞。

庫河?xùn)|岸總干渠在當(dāng)初設(shè)計時對流凌的問題認識不足，冬季運行過程中，沿程流凌結(jié)冰后形成冰塊，淤堵了渠道上約7座格柵消力池。7+100處節(jié)制分水閘后為塔尕克水電站引水發(fā)電的動力渠，全長約7 km。由于其渠道基本呈平行等高線布置，渠道流速小于1.5 m/s，導(dǎo)致2008年冬季運行時，渠道全線被流凌淤塞。

阿瓦提縣某干渠為了向下游電站輸水，在2000年冬季曾3次因流凌影響，淤塞渠道，導(dǎo)致垮渠。

對于流凌渠道很難處理，一般采取加大渠道流速或降低流速、冰蓋下運行的設(shè)計方法。

5.5 防凍脹

一是渠道設(shè)計時需注意地下水位施測時間是否在高水位期，設(shè)計時需要求地質(zhì)專業(yè)提供地下水的動態(tài)變化，除渠道本身地下水，還要考慮臨近灌區(qū)地下水的補給影響。

在緊靠灌區(qū)、水庫、湖泊的非凍脹性土的地段，一定要設(shè)防凍體，因為此渠段的冬季地下水變化幅度較大，會導(dǎo)致防滲體凍脹破壞。地區(qū)紅旗坡農(nóng)場和實驗林場柯克亞干渠在靠近灌區(qū)的非凍脹性土的渠段發(fā)生了凍脹破壞。

二是當(dāng)?shù)氐姆纼雒洸牧系馁|(zhì)量、技術(shù)指標(biāo)要嚴格按照《規(guī)范》要求選取，一旦有誤將對渠道的運行安全造成很大威脅。

三是渠道防凍層的厚度應(yīng)根據(jù)陰陽坡，根據(jù)《規(guī)范》要求進行計算，區(qū)別設(shè)置。

四是挖方渠道的防凍體應(yīng)盡量不用苯板，最好用砂礫石，防止由于兩側(cè)農(nóng)田灌溉測滲，對苯板頂托造成渠道垮塌破壞，而填方渠道的防凍體則可以考慮選用苯板。

五是用當(dāng)?shù)夭牧巷L(fēng)積砂做防凍體的梯形渠道，為防止由于運行中水流帶出砼預(yù)制板的細顆粒，導(dǎo)致渠道運行不安全，一般要在砼預(yù)制板下加一道塑膜。

5.6 防揚壓力

由于渠道外側(cè)水頭高于渠道底板，會造成渠道底板發(fā)生較大位移和砼板斷裂。設(shè)計時應(yīng)注意地下水位應(yīng)控制在渠道底板以下1.0m，否則，渠道底板應(yīng)采取透水性設(shè)計。

在河道、水庫、湖泊附近選線應(yīng)格外小心，因為勘察期的地下水埋深較大而未采取防滲措施，而在河道行洪水時地下水位又會大幅度提高，易造成渠道防滲體的揚壓力破壞。對于這種渠道應(yīng)該在靠河道側(cè)挖設(shè)一條截排，給渠道減壓。截排必須通暢，能及時將滲水排走。

5.7 防鹽脹

鹽脹破壞是因渠床含有鹵鹽和硫酸鹽的土體而引起的，在含量超過300 mg時，土體會隨著溫度的升高而發(fā)生膨脹變形，從而直接導(dǎo)致砼板發(fā)生鹽脹破壞。為防止鹽脹破壞一般采取換填砂礫石或風(fēng)積沙。例如，在塔里木河灌區(qū)沙雅縣帕滿水庫放水渠上為消除鹽脹，特在砼板下所設(shè)的苯板防凍體的下面換填了10～20 cm風(fēng)積沙，目前沒有出現(xiàn)鹽脹破壞。

5.8 防洪

山前洪積扇的地段布設(shè)的渠道，常常爆發(fā)暴雨山洪危害渠道安全。在設(shè)計時要注意在靠近山洪一側(cè)設(shè)置防洪壩或?qū)Ш榈蹋ㄟ^設(shè)在渠道上的過洪建筑物將洪水疏導(dǎo)至下游，有條件的還可采取靠山洪一側(cè)的堤面防護措施。

5.9 防腐蝕

在渠床土體中SO42－含量大于250 mg時，土體的SO4

2－會對普通硅酸鹽水泥發(fā)生腐蝕破壞。為防止SO4

2－對普通硅酸鹽水泥腐蝕破壞，一般采用抗硫酸鹽水泥，或在普通硅酸鹽水泥中摻入一定數(shù)量的抗硫酸根離子的專業(yè)添加劑，使之具備抗腐蝕的能力。在阿克蘇地區(qū)的下游灌區(qū)的沙雅縣、阿瓦提縣及柯坪縣此類問題比較突出，需要采用防腐蝕措施。

5.1 0 防磨蝕

在上游灌區(qū)由于渠道流速高、推移質(zhì)含量多而產(chǎn)生磨蝕破壞。設(shè)計中要減少推移質(zhì)的入渠量或增加渠底的抗磨蝕能力，采取設(shè)置排沙設(shè)施處理;也可在渠道底部采用抗磨蝕的材料，如高標(biāo)號砼砌大石、硅粉砼護底或橡膠輪胎護底等措施。

例如，庫車河總干渠維修前的渠底，原本30 cm厚的漿砌卵石渠底經(jīng)過10余年運行，被磨蝕成不足10 cm厚，由此看來，磨蝕是相當(dāng)?shù)貒乐亍?/p>

5.1 1 防風(fēng)蝕

渠道外坡土質(zhì)輕，植被覆蓋度差的渠道，要考慮風(fēng)蝕的危害。主要是采取水保措施，如在渠道外坡上覆蓋砂礫石固坡、在渠道外坡種植灌木、栽種蘆葦沙障網(wǎng)格、鋪設(shè)水保網(wǎng)等。一般在灌區(qū)邊緣的渠道常發(fā)生風(fēng)蝕危害。

［1］ 中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL18—2004)［M］.北京:中國水利水電出版社，2004:21，121.

［2］ 新疆維吾爾自治區(qū)水利統(tǒng)計資料匯編(2009年)［M］.烏魯木齊:新疆水利水電勘測設(shè)計院出版科，2009:1.

［3］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》GB50288—99［M］.北京:中國計劃出版社，1999:10－12.

［4］ 中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》SL211—2006［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:1.

［5］ 中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL23—2006)［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:5－15.

［6］ 全國渠道防滲論文選編(1984年).湖南長沙:湖南省水利水電科學(xué)研究所，1984.2，8 －11.