框架式預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)技術(shù)在景電灌區(qū)排水治堿工程中的應(yīng)用

梁彥信

(甘肅省景泰縣水務(wù)局，甘肅 景泰 730400)

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框架式預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)技術(shù)在景電灌區(qū)排水治堿工程中的應(yīng)用

梁彥信

(甘肅省景泰縣水務(wù)局，甘肅 景泰 730400)

框架式空心預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)排水渠技術(shù)，對排水渠襯護(hù)作了有益的探索實(shí)踐，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)排水溝邊坡襯護(hù)方法上的缺陷，初步解決了多年來在鹽堿地治理排水工程中邊坡坍塌的問題，對豐富排水治堿技術(shù)積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。在排水治堿工程和地下水富積的灌溉工程中具有實(shí)用推廣價(jià)值。

排水渠；框架式襯護(hù)；技術(shù)改進(jìn)；推廣效益

景電灌區(qū)位于甘肅省中部，地處黃土高原與騰格里沙漠過渡地帶，是我國黃河中上游重要的高揚(yáng)程灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。因灌溉回歸水匯集致使灌區(qū)地下水位持續(xù)抬升，重度鹽堿化土地以每年約6 000畝的速度不斷蔓延擴(kuò)大，且蔓延的速率有逐年加快的趨勢。截止2014年全縣受鹽堿化影響耕地面積達(dá)27萬畝，占總水澆地面積的42.19%，其中：輕度鹽堿地面積4.2萬畝、占15.56%；中度7萬畝、占25.93%；重度9.5萬畝、占35.19%；因鹽堿化而被迫棄耕撂荒3年以上的6.3萬畝、占23.33%。鹽堿耕地中、重度和棄耕撂荒地面積占比最大達(dá)84.44%，且全部為次生鹽漬化土地[1]。

改良鹽堿地的目的，是要排除土壤中過多的鹽分，使低產(chǎn)田變?yōu)楦弋a(chǎn)田。土壤積鹽和脫鹽決定于土體中水分的運(yùn)行，它主要受地下水埋深和土壤蒸發(fā)的影響，所以，防治土壤鹽堿化，必須要控制地下水位上升?？刂频叵滤豢赏ㄟ^工程排水措施來實(shí)現(xiàn)，排水措施可有效地改變改善區(qū)域性的地下徑流和水文地質(zhì)條件，有利于土壤脫鹽的防止土壤返鹽，滿足作物對土壤水分，空氣、養(yǎng)分、熱量的要求，達(dá)到改土增產(chǎn)的目的。

對于景電灌區(qū)和五佛自流灌區(qū)，由于特殊的地質(zhì)地形條件，地勢平緩，出流弱，缺乏天然排水通道，土壤中含有不同程度的鹽分，且因大水漫灌，地下水補(bǔ)給量增加，引起水位上升，這是導(dǎo)致這些地區(qū)成為鹽堿和易堿地區(qū)的根本原因，所以建設(shè)排水工程成為治理鹽堿地的首要條件。

在上述兩個灌區(qū)，排水工程的其本形式主要有明溝排水和暗管排水。明溝排水即從地面開挖排水溝排水。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工程投資少，設(shè)計(jì)、施工簡便易行，適應(yīng)于現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)條件下的工程建設(shè)；缺點(diǎn)是因工程多處在粉砂壤土地區(qū)，溝坡容易坍塌，淤積嚴(yán)重，管理困難，不僅降低了排水效果，而且因排水不暢加重了土壤鹽漬化程度，浪費(fèi)了大量人力物力。排水溝邊坡坍塌淤積，輕者降低排水溝的作用，重者導(dǎo)致地下水位上升至臨界深度，產(chǎn)生新的鹽漬化。為此，如何有效的襯護(hù)排水渠邊坡是治理鹽堿地的一個重要方面。

框架式預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)排水渠，較之以往已采用的多種護(hù)坡方法，該項(xiàng)技術(shù)最顯著的優(yōu)點(diǎn)是把灌溉渠道襯砌技術(shù)與土壩護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并嫁接于排水溝襯護(hù)，使空心預(yù)制構(gòu)件形成框架式結(jié)構(gòu)，在框架空心內(nèi)充填干砌塊石后，形成有效濾水層，能防止因土質(zhì)排水渠冬凍春融而造成的凍脹破壞和地下水逸蝕問題，從而避免了邊坡坍塌，保證了邊坡穩(wěn)定，且排水效果顯著。

1 影響排水渠邊坡坍塌的因素

1.1 排水渠邊坡穩(wěn)定問題的評價(jià)

在水利水電工程建設(shè)中，常會遇到邊坡失穩(wěn)的問題，邊坡穩(wěn)定與否，直接關(guān)系到建筑物的安全和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。若邊坡設(shè)計(jì)過陡，在應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化時，邊坡體會發(fā)生變形和破壞，嚴(yán)重的造成停工，運(yùn)轉(zhuǎn)中斷等；若邊坡設(shè)計(jì)過緩，對邊坡保護(hù)采取過分保守的工程措施，則投資過大造成浪費(fèi)[2]。因此，正確評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，是排水渠建設(shè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

邊坡變形破壞可分為剝落，崩塌和滑坡三種類型，本文著重考慮滑坡?；碌漠a(chǎn)生嚴(yán)重影響水工建筑物的正常使用與安全，甚至造成破環(huán)，常會造成人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失[3]。由此可見，為了有效地防止滑坡，除了在工程設(shè)計(jì)時仔細(xì)地進(jìn)行穩(wěn)定分析，得出一個合理斷面處，還應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施，消除某些不利因素的影響，確保工程安全。

1.2 排水渠邊坡坍塌的原因

景電灌區(qū)在歷年來的治理鹽堿排水工程中，主要以明溝排水為主，但由于次生鹽漬地多處在粉砂壤土地區(qū)，地下水位高而排水邊坡未能采取相應(yīng)工程措施進(jìn)行襯護(hù)，致使排水溝滑落 坍塌，淤積嚴(yán)重，降低了排水效果，究其坡坍塌原因，主要有以下幾個方面：

1)地面水沖刷

一般在修建排水渠時，對地面水的入溝建筑物沒有安排，雨水及灌溉水向排水渠漫流，形成嚴(yán)重的沖刷，溝邊坡出現(xiàn)沖溝，致使溝底淤積；

2)地下水逸蝕

地下水位過高，地下水自排水溝腰部逸出，地下水位以下的土壤處于飽和狀態(tài)，粘接力大為降低，加之部分地段極有夾層，開挖后形成流砂現(xiàn)象，因而極易滑落下塌，地下水位以上部分因失去支撐而自然坍塌。地下水位愈高，逸蝕作用愈強(qiáng)，在粉砂壤土地區(qū)尤為嚴(yán)重。特別是在冬灌時，排水溝邊坡夜凍晝消，循環(huán)復(fù)始，至來年春融時坍塌更為嚴(yán)重，這是邊坡坍塌的主要原因；

3)溝內(nèi)積水侵蝕

利用排水溝引水，溝中打壩蓄水，溝中修灌溉土渡槽，打埂筑路等都會造成排水溝積水，由于積水浸潤，邊坡極易塌陷，特別是水位變化時，水面附近和水面以下土體最易坍塌。

2 框架式空心預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 襯護(hù)排水渠的技術(shù)原理

在水利水電工程中，土壩一般設(shè)有排水設(shè)施(排水體)其目的是調(diào)整土壩體內(nèi)浸潤線的位置，有計(jì)劃的改善邊坡滲流運(yùn)動狀態(tài)，排除滲水，以及防止發(fā)生滲透變形(即坍滑現(xiàn)象)[4]?？蚣苁揭r護(hù)技術(shù)采用土壩混合式排水和水閘底板排水孔設(shè)計(jì)以及擋水墻設(shè)計(jì)原理的變化形成，結(jié)合了灌溉渠道襯護(hù)技術(shù)，既能防止?jié)B流逸出表面發(fā)生流土，又可降低浸潤線的位置，還使揚(yáng)壓力減小、邊坡穩(wěn)定。

2.2 框架式襯護(hù)排水渠的設(shè)計(jì)

通過對排水渠邊坡坍塌的原因，影響因素類型等方面的分析，吸收土壩護(hù)坡排水和水閘底板排水的有益經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用力學(xué)和水力學(xué)知識，結(jié)合工程實(shí)踐，探索出了框架式空心預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)技術(shù)，該項(xiàng)目的技術(shù)設(shè)計(jì)有以下幾個方面：

1)框架設(shè)計(jì)

框架設(shè)計(jì)基本形式為中空式等腰三角形，預(yù)制件混凝土標(biāo)號C20，彈形模量2 .602 105 kg/cm2。三角形框架內(nèi)填砌塊石，既可增強(qiáng)排水渠邊坡整體性，也能充當(dāng)排水設(shè)施，并有效地防止?jié)B流對邊坡的變形破壞。塊石尺寸以5～10 cm為宜，所用塊石應(yīng)堅(jiān)固不易風(fēng)化，抗壓強(qiáng)度不低于300～500 kg/cm2，砌石下的墊層，應(yīng)按反濾層的原則設(shè)計(jì)。

2)底梁設(shè)計(jì)

底梁設(shè)計(jì)為框架式襯護(hù)排水渠技術(shù)設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)，在原設(shè)計(jì)中曾采用矩形底梁，在五佛二十五份子排水工程施工過程中，此式底梁極易沉陷，且引起邊坡三角構(gòu)件失衡，使排水渠縱坡和邊坡均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，排水效果也不甚理想。在保證設(shè)計(jì)排水量的前提下，受灌溉渠道斷面設(shè)計(jì)的啟發(fā)，經(jīng)多次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了U型槽底梁和梯形槽底梁。

經(jīng)實(shí)地襯護(hù)的對比試驗(yàn)，U型槽底梁設(shè)計(jì)，具有水流條件好，整體受力性能強(qiáng)的特點(diǎn)，但存在模具加工制作復(fù)雜，預(yù)制難度大，對混凝土配合比粒經(jīng)選擇要求高，不能減小揚(yáng)壓力，施工過程中不易固定等缺點(diǎn)，且邊坡設(shè)計(jì)難以滿足要求。

梯形槽梁設(shè)計(jì)雖水流條件和整體受力性較U型底梁稍遜，但模具加工簡單，預(yù)制難度小，對混凝土配合比粒徑選擇要求低，在施工過程中容易固定，具體運(yùn)行中能夠通過設(shè)在邊坡和底部的孔徑排泄地下水，可有效地減小揚(yáng)壓力對排水渠的破壞。通過以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案的對比，以采用梯形梁設(shè)計(jì)為佳。底梁混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號，強(qiáng)度與框架設(shè)計(jì)相同，

3)反濾層設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)反濾層是在滲水出逸部位鋪設(shè)，其作用是防止?jié)B透土體的細(xì)顆粒被滲水帶走，且又能使?jié)B水暢通排出。

反濾層一般由三層不同粒徑的非粘性的砂、礫、卵石碎石構(gòu)成。鋪設(shè)的層面大體與滲流方向正交，在滲水進(jìn)入處鋪設(shè)細(xì)粒徑濾層料，之后逐步鋪設(shè)較粗粒徑的濾層[5]。

一般礫砂層粒徑0.25～1 mm砂；礫層粒徑1～5 mm；

卵石層粒徑5～20 mm；石層板徑5～10cm塊

4)模具加工及框架、底梁預(yù)制

框架底梁因?qū)倥潘O(shè)施，要具備防凍，防蝕性能，對混凝土預(yù)制件密實(shí)度以及防浸蝕要求高，故此，模具的加工制作和混凝土預(yù)制工具好壞是能否保證預(yù)制件質(zhì)量的關(guān)鍵所在，在條件許可情況下，宜盡量采用專業(yè)預(yù)制，工廠化生產(chǎn)。模具加工選擇50×50mm的角鋼為支架，5 mm鋼板為內(nèi)模焊接而成，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號為C20，卵石最大粒徑4 cm，砂子0.5 mm，卵石和石子經(jīng)篩分沖洗后與水泥一起用混凝土攪拌機(jī)拌和，預(yù)制場地鋪一層細(xì)砂，預(yù)制時，首先用插入式振搗器，待出漿后再用平板式振搗器振動，直到密實(shí)為止，待初凝后脫模并及時編寫生產(chǎn)日期，二十四小時后即可蓋草灑水養(yǎng)護(hù)，在夏季高溫時，需每小時養(yǎng)護(hù)一次，達(dá)到28 d齡期后，經(jīng)檢驗(yàn)合格，運(yùn)到施工工地。

3 框架式預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)排水渠設(shè)計(jì)與

同類技術(shù)的對比分析

3.1 同類技術(shù)

目前，在防止排水渠邊坡坍塌和于積的技術(shù)很多，較為先進(jìn)和成熟的有以下幾種：

1)放緩邊坡，加大底寬

該項(xiàng)技術(shù)雖可暫緩邊坡坍塌，但在實(shí)際運(yùn)用中卻未能解決使浸潤線下移的問題，故而耐久性差，甚至在粉砂壤土地區(qū)，排水渠當(dāng)年開挖，來年即告坍塌淤積，而且由于邊坡過緩使工程量加大，占用了大量的耕地。

2)修建排除地面水的建筑物

該項(xiàng)技術(shù)從本質(zhì)上而言，屬排水溝邊坡的防地面水沖刷措施，并未真正解決地下水位過高而引起的邊坡坍塌，而且由于在邊坡以上堆積大量土體，加重了邊坡受力，引起新的坍塌和淤積。

3)溝邊坡植樹種草

該項(xiàng)技術(shù)是利用植物根系對邊坡起到防護(hù)作用，但紅柳等植物根系分布呈水平狀，垂直根系不發(fā)達(dá)，護(hù)坡效能不顯著；而草木樨等植物，秋冬季干枯后，隨風(fēng)飄落至排水渠中，造成新的淤積，在一定程度上降低了排水效果。

4)粘土護(hù)坡

由顆粒間具有凝聚力的粘性土組成的護(hù)坡，能較好地保證其出逸段的穩(wěn)定性，但其護(hù)坡屬于被動護(hù)坡，只是保護(hù)邊坡不滲流，地下水位卻未能降低，而且使?jié)B流方向錯位，邊坡在飽和水作用下產(chǎn)生底部滑動，形成滑坡。

5)干砌石護(hù)坡

該項(xiàng)技術(shù)在一定程度上避免了以上幾種護(hù)坡方法上的不足，但由于未設(shè)反濾層，坡面滲流帶動土壤顆粒直接進(jìn)入排水溝，久而久之排水溝淤積嚴(yán)重，滲流使干砌石背面土體淘空形成新的邊坡失穩(wěn)條件，而且因該技術(shù)為重力式擋土墻設(shè)計(jì)，工程量較大，投資較多。

3.2 框架式襯護(hù)技術(shù)

框架式空心預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)技術(shù)，針對以往國內(nèi)傳統(tǒng)護(hù)坡技術(shù)存在的不足與缺陷，以土壤滲流和邊坡穩(wěn)定理論為依據(jù)，將土壩護(hù)坡排水技術(shù)和水閘底板排水技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并成功嫁接于排水溝護(hù)坡工程，是排水渠護(hù)坡技術(shù)上的一個有益探索。

通過對比實(shí)驗(yàn)，證明該項(xiàng)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)充分穩(wěn)定邊坡，有效防止凍脹

較之以往采用的多種護(hù)坡技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是空心預(yù)制構(gòu)件形成框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)填干砌石塊石，結(jié)合下部的反濾層，底梁在渠底形成支撐棱體。這樣既可有效避免邊坡坍塌，又能防止土質(zhì)排水溝因滲流而引起冬凍春融的膨脹破壞和地下水逸蝕問題，另外在施工土模開挖后，底梁可起到固岸作用，從而保證了邊坡穩(wěn)定，排水通暢。

2)排水效果顯著

從景電一期和五佛二十五份子襯護(hù)排水渠前后的對比來看，土質(zhì)排水溝在地下水位高的地區(qū)，開挖來年即發(fā)生坍塌淤積，使排水效果大為降低。采用框架式空心預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)的排水渠卻極少出現(xiàn)此類現(xiàn)象，且排水量增大。據(jù)觀測襯護(hù)后的排水溝兩側(cè)地下水位普遍下降1～1.6 m，五佛二十五份子排水渠當(dāng)年襯護(hù)，當(dāng)年種植、當(dāng)年見效，種植的水稻畝產(chǎn)500 kg左右，原來因地下水位上升而形成的沼澤地當(dāng)年即呈干燥狀態(tài)，來年經(jīng)沖洗脫鹽后即可大面積恢復(fù)種植，改良次生鹽漬地效果顯著。

3)工程量小、投資省

經(jīng)測算，采用框架式空心預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)排水渠較之明溝開挖排水渠，土方工程量減少50%左右，投資較漿砌石框架式襯護(hù)，畝投資節(jié)省46%。

從以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比可看出，框架式空心預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)排水渠具有技術(shù)實(shí)用可靠、有效防止凍脹、充分穩(wěn)定邊坡、排水效果顯著、工程投資節(jié)省、適應(yīng)范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

4 有待改進(jìn)方面

雖然該項(xiàng)技術(shù)的試驗(yàn)相對成熟，具備推廣應(yīng)用的價(jià)值，但是仍有個別技術(shù)細(xì)節(jié)尚有待于進(jìn)一步研究探討。諸如在礦化度高的景電一期地下水富集區(qū)混凝土預(yù)制件使用抗酸堿水泥并加配鋼筋，以防止因地下水侵蝕而使其耐久性降低；在挖深較大、地下水位埋深較淺的地區(qū)排水溝襯護(hù)時，框架層高如何根據(jù)浸潤線位置確定，框架之間是否需要構(gòu)造連接以增加穩(wěn)定性；如何確定排水渠堤頂寬度以減輕田間灌溉水對排水渠的破壞；如何根據(jù)土壤質(zhì)地情況確定反濾層的厚度及粒徑等。這些問題需要在以后的工程實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真研究并加以改進(jìn)解決，使此項(xiàng)技術(shù)能夠具有較為廣泛的適用性，以期更好地為排水治堿工程服務(wù)。

5 結(jié)語

框架式空心預(yù)制構(gòu)件襯護(hù)排水渠技術(shù)的應(yīng)用，對豐富排水治堿技術(shù)初步探索和積累了有益的經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)實(shí)用性在實(shí)際工程運(yùn)用中也取得了較好地效益。需要指出的是，在規(guī)模化應(yīng)用過程中，需要結(jié)合排水工程所在地的地形條件、氣象因素、地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、社會經(jīng)濟(jì)條件等考慮使用綜合治理措施，切豈生搬硬套、千篇一律，否則，只能起到事倍功半的作用。

[1]景泰縣農(nóng)技中心.景泰縣鹽堿地情況的調(diào)查報(bào)告[R].2011.7.

[2]郭元裕.農(nóng)田水利學(xué).武漢水利電力學(xué)院.水利電力出版社[M].1986.12.

[3]黃河水利學(xué)校.工程地質(zhì)與土力學(xué)上冊，水利電力出版社[M].1980.11.

[4]湖南省水利學(xué)校.水工建筑物.水利電力出版社[M].1985.5.

[5]M.M.格里申.水利水電科學(xué)研究院譯.水工建筑物上卷.水利電力出版社[M]1985.5.

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1004-1184(2016)06-0121-03

2016-06-06

梁彥信(1965-)，男，甘肅蘭州人，高級工程師，主要從事次生鹽漬地治理、節(jié)水灌溉研究。