陸渾灌區(qū)高地下水位對(duì)渠道襯砌的影響分析

□周志平 □楊書統(tǒng) □賈娟娟

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

陸渾灌區(qū)高地下水位對(duì)渠道襯砌的影響分析

□周志平 □楊書統(tǒng) □賈娟娟

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

高地下水位是渠道設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題，主要對(duì)渠坡和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，且在施工過(guò)程中也存在施工排水問(wèn)題。文章以陸渾灌區(qū)東二干渠道高地下水位的設(shè)計(jì)和施工措施為例，淺析其設(shè)計(jì)的基本思路，為以后高地下水位在渠道襯砌設(shè)計(jì)和施工中提供參考。

陸渾灌區(qū)；高地下水位；渠道襯砌

1 引言

陸渾灌區(qū)位于河南省西部，設(shè)計(jì)灌溉面積89 493 hm2，跨黃河、淮河兩大流域，受益范圍為洛陽(yáng)市的嵩縣、伊川縣、汝陽(yáng)縣、偃師市和平頂山市的汝州市及鄭州市的滎陽(yáng)市、鞏義市共3個(gè)市7個(gè)縣（市），總?cè)丝?51.06萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口131.58萬(wàn)人。灌區(qū)現(xiàn)有總干渠1條，長(zhǎng)44.40 km；東一干渠、東二干渠、西干渠、灘渠4條干渠，長(zhǎng)233.40 km；支渠49條，長(zhǎng)232.30 km。

東二干渠設(shè)計(jì)灌溉面積18 240 hm2，設(shè)計(jì)流量16.00 m3/s，全長(zhǎng)52.20 km?，F(xiàn)狀渠道未進(jìn)行護(hù)砌，渠道內(nèi)雜草叢生，渠道內(nèi)岸坡由于水流沖刷已凹凸不平，部分較高岸坡存在小沖溝現(xiàn)象。陸渾灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目2015年度工程中東二干渠道處理范圍為樁號(hào)1+655～7+759，全長(zhǎng)6 104 m。工程處理措施為：將已老化破碎的混凝土全部拆除，按照設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行整修，渠道采用C20混凝土襯砌，襯砌厚度10 cm，沿水流方向每隔5 m設(shè)一道橫向伸縮縫，渠底兩側(cè)內(nèi)坡腳處分別設(shè)一道縱向伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)采用閉孔泡沫板填充。

2 工程地質(zhì)概況

東二干高地下水位渠段揭露地層巖性主要為第三系中始新統(tǒng)張家村組（E2Z），上部巖性以礫巖為主，局部為重粉質(zhì)壤土，下部為粘土巖，描述如下：礫巖：灰色、灰白色，礫石成分多為褐紅、紅褐及灰白色鈣質(zhì)團(tuán)塊，直徑一般為0.50～1.50 cm，成巖差，多呈散粒狀，局部可見(jiàn)厚0.30 m，長(zhǎng)1～2 m膠結(jié)較好的礫巖透鏡體，巖石較堅(jiān)硬。該層厚度不均，一般2.50 m左右，巖性也不均一，部分地段礫石含量少，為礫質(zhì)粘土巖。主要分布在地表和干渠邊坡上部。粘土巖：褐黃、棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，成巖差，多為硬塑狀粘土，見(jiàn)有黑色鐵錳質(zhì)薄膜及斑點(diǎn)與灰綠色條紋，含鈣質(zhì)結(jié)核，直徑一般2～10 cm。該層渠道開(kāi)挖揭露厚度各處不一，一般1.50 m左右，巖性也不均一，部分地段鈣質(zhì)結(jié)核含量少。主要分布在干渠邊坡下部和渠底。

該段渠頂高程一般為290.08～290.68 m左右，渠底高程286.28～286.88 m，渠深3.80 m，設(shè)計(jì)渠底寬3.10 m，為挖方渠段，渠頂基本與地面齊平。

施工過(guò)程中，據(jù)施工方介紹，該標(biāo)段僅236 m渠底無(wú)水，其余渠段渠坡均有滲水。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)察看，渠坡滲水段雖采取了排水措施，但渠底仍有積水，加之施工機(jī)械在渠底行進(jìn)，導(dǎo)致渠底形成厚0.20～0.30 m的軟塑～流塑狀擾動(dòng)土。據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況看，上部礫巖透水但不含水，地下水主要從粘土巖中流出。經(jīng)觀察分析，地下水主要賦存在粘土巖上部，屬上層滯水，該部位屬大氣影響帶，影響帶內(nèi)裂隙發(fā)育，含鈣質(zhì)結(jié)核，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，沿礫巖層下滲，賦存于粘土巖上部裂隙中，并沿坡面排泄于渠道內(nèi)，含水厚度不大，賦水性弱，根據(jù)裂隙發(fā)育和坡面滲水情況，類比其它類似工程經(jīng)驗(yàn)，裂隙粘土巖屬弱～中等透水。

3 工程處理措施

3.1 高地下水位對(duì)渠道襯砌的影響

在渠道線路的規(guī)劃布置過(guò)程中，受沿線地形地質(zhì)、降雨徑流、水文地質(zhì)等的影響，經(jīng)常會(huì)遇到渠道穿越高地下水位的情況，對(duì)渠坡穩(wěn)定和襯砌結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生不利因素。

一方面，由于地下水位以下的土體處于飽和狀態(tài)，土體的物理力學(xué)性能指標(biāo)和土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較自然狀態(tài)都有明顯的下降，對(duì)渠坡的穩(wěn)定計(jì)算產(chǎn)生不利影響；地下水沿渠坡存在水力梯度，產(chǎn)生一定的滲透力，土體的下滑力在地下水作用下明顯增加，對(duì)渠坡的抗滑穩(wěn)定也產(chǎn)生不利影響，所以，在高地下水位渠段需重新復(fù)核渠道邊坡的穩(wěn)定計(jì)算。

另一方面，為提高輸水效率，減少渠道的滲水量，陸渾灌區(qū)東二干渠道襯砌時(shí)采用的是土工膜復(fù)合防滲措施，防止渠道內(nèi)水外滲，橫向伸縮縫底部鋪設(shè)50 cm寬防滲土工膜，渠底兩側(cè)伸縮縫底部鋪設(shè)65 cm寬防滲土工膜。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇赘叱虝r(shí)，在渠道過(guò)水情況下，因渠道內(nèi)灌溉水位高于地下水位，對(duì)襯砌板的影響較小，但當(dāng)渠道內(nèi)無(wú)水時(shí)，就存在襯砌板下的地下水產(chǎn)生的浮托力大于襯砌板的自重，將襯砌板頂壞的現(xiàn)象。所以，需復(fù)核渠道底板的抗浮穩(wěn)定計(jì)算，必要時(shí)加大襯砌板的厚度以增加襯砌板的自重，保證渠底襯砌板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

此外，一般高地下水位在冬季還易出現(xiàn)土體的凍脹和凍融破壞問(wèn)題。但根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)查勘情況來(lái)看，陸渾灌區(qū)因冬季少雨干旱，渠道內(nèi)不存在地下水外滲現(xiàn)象，對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)影響較小。

3.2 工程處理措施

東二干渠現(xiàn)狀大部分為土渠，幾處填方壩渠段為年久失修的混凝土襯砌段，現(xiàn)狀已經(jīng)破損嚴(yán)重。一方面，汛期降雨入滲補(bǔ)給地下水使地下水位抬高，另一方面，在渠道放水灌溉期間，渠道內(nèi)灌溉水也會(huì)補(bǔ)給地下水，當(dāng)渠道內(nèi)無(wú)水時(shí)，渠坡兩側(cè)的地下水就會(huì)入滲到渠道內(nèi)，造成部分渠坡出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

陸渾灌區(qū)續(xù)建配套階段，東二干渠道采用的是全斷面混凝土襯砌結(jié)構(gòu)型式，分縫處采用土工膜復(fù)合防滲，渠道內(nèi)外水不允許交換。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇?、而渠道?nèi)又無(wú)水的情況下，地下水產(chǎn)生的浮托力就會(huì)使襯砌板頂托破壞，所以應(yīng)采取一定的工程措施，保證渠道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了兩種方案。

方案一，加大地下水位以下部分的渠道襯砌板厚度以滿足抗浮要求。這種方案不會(huì)影響渠道的綜合糙率，對(duì)渠道的過(guò)流能力影響較小，但對(duì)地下水位較高的渠段，為滿足襯砌板的抗浮穩(wěn)定，渠道襯砌厚度一般得加大至0.50 m以上，因渠道線路比較長(zhǎng)，工程投資比較大，經(jīng)濟(jì)性較差。

方案二，排水措施。在地下水位以下部位采用無(wú)砂混凝土塊使渠道內(nèi)水與地下水連通，以降低渠道襯砌板內(nèi)外水頭差，減小揚(yáng)壓力，保證渠道襯砌板不被浮托力破壞。渠道排水采用無(wú)砂混凝土塊，兩側(cè)渠底及渠坡各布置一排，渠坡無(wú)砂混凝土塊底邊距渠底0.30 m，渠底無(wú)砂混凝土塊外邊距伸縮縫0.10 m，順?biāo)飨蜷g距1.50 m。①無(wú)砂混凝土塊采用圓形，直徑200 mm，厚度0.10 m，無(wú)砂混凝土塊下鋪設(shè)300 g/m2土工布，四周各寬出無(wú)砂混凝土塊20 cm。②無(wú)砂混凝土塊下鋪設(shè)砂礫料，渠坡砂礫料鋪設(shè)于無(wú)砂混凝土塊下，將其下的老舊混凝土鑿除，再下挖10 cm，回填砂礫料并壓實(shí)，砂礫料回填尺寸為40cm× 40cm×20 cm。③渠底砂礫料沿渠段全長(zhǎng)鋪設(shè)，將其下的老舊混凝土切除，寬度為42 cm，回填砂礫料并壓實(shí)。④無(wú)砂混凝土技術(shù)指標(biāo)為：混凝土強(qiáng)度為C10，滲透系數(shù)≤2×10-1cm/s，施工前應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)無(wú)砂混凝土的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核。⑤砂礫料要求粒徑≤20 mm，5～20 mm粒徑含量應(yīng)達(dá)到50%～70%。砂礫料級(jí)配連續(xù)，不含植物殘?bào)w、垃圾等雜質(zhì)。

方案二較方案一能大大節(jié)約工程投資，但主要問(wèn)題是加大了該渠段的綜合糙率，對(duì)渠道過(guò)流有一定影響，但因陸渾灌區(qū)為續(xù)建配套工程，在治理過(guò)程中遵照“先上游后下游、先急后緩、注重效益、集中聯(lián)片”的原則，主要安排渠道中存在坍塌、滲漏等問(wèn)題嚴(yán)重、影響渠道通水的渠段，待整個(gè)續(xù)建配套工程全部完工時(shí)，渠道的綜合糙率是滿足設(shè)計(jì)要求的。

3.3 施工處理措施

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告中的描述，汛期降雨入滲使區(qū)域地下水位抬高，施工期間地下水位高于渠底，存在施工排水問(wèn)題，粘土巖富水性差，采取明溝排水是可行的，但現(xiàn)場(chǎng)集水排水坑偏少、偏淺，應(yīng)加強(qiáng)排水工作，增加集排水坑密度和深度，增加排水設(shè)施，進(jìn)行有效降水，保證干地施工。

此外，對(duì)于渠底施工擾動(dòng)形成的厚0.20～0.30 m的軟塑～流塑狀土應(yīng)予以清除，超挖部分可采取中粗砂或級(jí)配砂卵石填筑，另外粘土巖一般具弱膨脹潛勢(shì)，施工時(shí)應(yīng)快挖快填，盡量減少暴露時(shí)間，以防渠坡脹縮變形，影響渠坡穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

高地下水位渠段的處理是灌區(qū)渠道襯砌設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)問(wèn)題，嚴(yán)重影響渠道的運(yùn)行安全。因陸渾灌區(qū)東二干渠道地下水位較穩(wěn)定，采用無(wú)砂混凝土塊施工簡(jiǎn)單，也能滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)濟(jì)性較好，從已施工的陸渾灌區(qū)續(xù)建配套工程驗(yàn)收結(jié)果來(lái)看，該方案處理措施效果良好，為其它灌區(qū)工程處理類似問(wèn)題提供參考。

［1］吳劍疆，邵劍南.南水北調(diào)中線一期工程總干渠高地下水位渠道設(shè)計(jì)主要問(wèn)題及對(duì)策措施[J].水利水電技術(shù).2014（11）.

TV672

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1673-8853（2017）03-0095-02

2016-12-21

編輯：劉長(zhǎng)垠 韋詩(shī)佳

周志平（1984-），女，工程師，主要從事水利設(shè)計(jì)工作。