北方灌區(qū)渠道襯砌研究探討

趙婷婷 石嬌 趙韜韜 牛林鵬 嚴(yán)曉威

[摘 要]目的：我國北方地區(qū)水資源短缺，晝夜溫差大，灌溉占農(nóng)業(yè)用水量的90%，渠道輸水是農(nóng)業(yè)灌溉的主要途徑，然而渠道滲漏損失不僅降低了農(nóng)業(yè)灌溉水的利用效率，而且加劇了水資源的供需矛盾，本文旨在研究北方地區(qū)渠道襯砌，為提高我國農(nóng)業(yè)灌區(qū)輸水效率提供參考依據(jù)。方法：渠道凍脹及防治是引起我國北方凍土地區(qū)渠道建設(shè)及運(yùn)行的一個重要問題，本文從渠道襯砌的凍脹機(jī)理、研究方法及建議措施三方面來展開討論。結(jié)果：通過三方面的綜合整理，提出我們現(xiàn)有技術(shù)的一些不足和今后研究中應(yīng)該注意的問題。結(jié)論：削減渠道凍脹即減少渠道的滲漏損失，對提高灌區(qū)水利用效率有一定的意義，對渠道凍脹研究有一定的參考價值。

[關(guān)鍵詞]渠道襯砌;渠道凍脹;凍脹機(jī)理;建議措施

[中圖分類號]S277 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

1 引言

中國淡水資源總量為28124億立方米，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，我國農(nóng)業(yè)用水占總用水量的68%，其中，灌溉占農(nóng)業(yè)用水量的90%，在輸水過程中，灌溉水利用效率很低，造成水資源在很大程度上的浪費(fèi)，怎樣提高灌溉水的利用效率呢？渠道防滲是目前應(yīng)用最廣泛的工程節(jié)水措施，我國人均年用水量只有世界平均值的四分之一左右，其中渠道輸水量占總輸水量的70%以上。在我們北方冰凍地區(qū)，其渠系水利用系數(shù)僅有0.4～0.5，而發(fā)達(dá)國家已達(dá)到0.7～0.8，其主要原因是渠道防滲襯砌遭受到年復(fù)一年的凍脹破壞而喪失了防滲能力所致。根據(jù)現(xiàn)有襯砌渠道防滲效果的監(jiān)測結(jié)果可以看出，渠道實(shí)施襯砌后，干渠防滲效果提高約80%，支渠防滲效果提高約85%，斗渠、農(nóng)渠防滲效果提高約70%，整體可以減少滲漏損失70%～90%。渠道襯砌后防滲效果顯著，可以提高灌溉水的利用效率，緩解水資源矛盾。

我國國土面積960萬km2，其中多年凍土區(qū)占21.5%，季節(jié)凍土區(qū)占53.5%，工程凍害普遍嚴(yán)重，是世界第三大凍土國。在這樣嚴(yán)峻的環(huán)境條件下，做好渠道防滲襯砌是關(guān)鍵，這樣不僅可以提高渠系水的利用效率，而且可以使渠道安全運(yùn)行，延長了工程使用壽命，減少了維修管理渠道的費(fèi)用，促進(jìn)了新建工程的發(fā)展。一些專家及學(xué)者雖然已經(jīng)對渠道防滲工程做出了一些成就，但是針對具體的北方灌區(qū)，根據(jù)目前的現(xiàn)狀，本文從渠基土的凍脹機(jī)理、渠道襯砌的研究方法和建議保護(hù)措施三方面來進(jìn)行深入的研究和探討。

2 渠道凍脹破壞機(jī)理的研究

凍土是復(fù)雜的多相和多成分體系，礦物骨架或有機(jī)物骨架、冰、未凍水和空氣為其基本成分。這些基本組成的差異，使之有獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)。凍脹是土壤中的水分在低溫下凍結(jié)引起的，其過程特別復(fù)雜。在凍結(jié)過程中，由于溫度場的改變，引起水分的遷移運(yùn)動，聚集與相變而導(dǎo)致凍脹，并伴隨著一系列的工程凍害的發(fā)生。

混凝土渠道襯砌凍脹破壞的根本原因，一方面是襯砌結(jié)構(gòu)剛度較小，抗拉及抗彎能力較差：另一方面是襯砌結(jié)構(gòu)向上位移和向陽坡偏轉(zhuǎn)的凍脹變形被渠床凍土約束，加之襯砌板之間的相互約束，使襯砌板成為壓彎構(gòu)件，渠坡成為偏心壓彎構(gòu)件，在較大的法向凍脹力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的彎矩和拉應(yīng)力，當(dāng)這些力超過其極限承載力時，襯砌結(jié)構(gòu)就會被破壞。

3 渠道襯砌的研究方法

3.1 有限元軟件的模擬

研究土凍脹現(xiàn)象的有效手段之一是建立物理與數(shù)學(xué)模型，深入了解土凍結(jié)時物理與化學(xué)過程，建立水熱力模型，并通過數(shù)值模擬探索與了解在不同氣象、地質(zhì)、水文、地表覆蓋及建筑物工程條件下，渠基土的溫度分布，水分遷移模型，應(yīng)力集中現(xiàn)象，對渠道襯砌的凍脹破壞有了更直觀的認(rèn)識。數(shù)值模擬是一個計(jì)算量很大的工作，在上個世紀(jì)六十年代前是不容易實(shí)現(xiàn)的，但在今天這個計(jì)算機(jī)普及的時代，數(shù)值模擬有了進(jìn)一步的發(fā)展，從開始的熱力耦合發(fā)展到現(xiàn)在的水熱力耦合以及水熱力汽四場的數(shù)值模擬，充分考慮了更多影響渠道凍脹的因素，使得模擬結(jié)果更加接近實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)果更加精確。

從一開始的梯形渠道斷面到弧腳梯形再到弧底梯形慢慢地過渡到U型渠道的研究，使渠道有了更加合理的適用斷面，研究結(jié)果表明，水利最佳和抗凍脹性能最優(yōu)的弧腳梯形最優(yōu)斷面為：渠底寬是設(shè)計(jì)水深的0.53倍，坡腳圓弧半徑是設(shè)計(jì)水深的0.3倍，坡腳圓弧中心角即邊坡板的傾角為51°。此斷面形式不但能適應(yīng)季節(jié)性凍土區(qū)渠道防滲抗凍脹工程的實(shí)踐要求，而且便于機(jī)械化施工?；〉滋菪魏蚒型渠道的設(shè)計(jì)斷面也被一一研究出來，這為以后的渠道設(shè)計(jì)工作提供了可靠而又可行的依據(jù)，推動了渠道建設(shè)的發(fā)展。

3.2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)是一種用數(shù)據(jù)說話的工具，研究者通過大量的試驗(yàn)研究，然后曲線擬合，對比分析，等等，最終得出結(jié)論，試驗(yàn)是一個持久的工作，一組試驗(yàn)可以是幾個月，甚至是幾年，雖然試驗(yàn)沒有數(shù)值模擬那么快速地得出結(jié)論，但是，試驗(yàn)是充分地模擬了渠道襯砌凍脹的真實(shí)過程，其數(shù)據(jù)更有說服力。

蘭州凍土試驗(yàn)研究所一直致力于研究渠道凍脹的課題，同時也取得了相應(yīng)的成就。其中有對凍土本構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)研究，指出凍土屬于正交各向異性材料，對大U型渠道的凍脹試驗(yàn)研究，對襯砌的氣溫、地溫，渠基土的含水率、凍深以及襯砌的凍脹變形量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析比較，分析了渠道襯砌的主要破壞時段和破壞部位的分布規(guī)律及其成因。還有很多重要研究成果都離不開一次次的試驗(yàn)研究，所以，試驗(yàn)不失為一種渠道襯砌凍脹研究的好方法。

3.3 新型材料的發(fā)展

3.3.1 膜料防滲

膜料防滲是新發(fā)展的一種襯砌方式，膜料屬于柔性材料，目前在渠道工程中被大量采用，它具有防滲標(biāo)準(zhǔn)高，能適應(yīng)較大的凍脹變形、造價低廉等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了混凝土襯砌型式中的許多缺陷，膜料在渠床開挖斷面完成后，稍經(jīng)整平處理后即可鋪設(shè)，然后加蓋保護(hù)層，保護(hù)層可用土料、混合料或砂漿等，防滲效果較好;劉旭東研究的基于數(shù)值模擬的雙層薄膜防滲襯砌渠道抗凍脹機(jī)理探討一文中，鋪設(shè)雙層薄膜后，梯形渠道陰坡、渠底、陽坡的法向凍脹力和切向凍結(jié)力分別降低了26.44%、23.53%、30.29%和35.68%、27.75%、41.67%，充分說明了雙層薄膜能夠削減法向凍脹力、切向凍結(jié)力，使凍脹變形更加均勻，抗凍脹效果明顯。

雖然膜料防滲有其優(yōu)點(diǎn)，但是它的不足之處也十分突出;如施工較復(fù)雜、主要是膜料鋪蓋間的搭接，同時為保證保護(hù)層的穩(wěn)定，渠道邊坡較大，均在1：1.5以上，因而占地較多，另外，膜料對基礎(chǔ)土質(zhì)有較高的要求，如果基土含有大量有機(jī)物會導(dǎo)致膜料過早老化而降低防滲標(biāo)準(zhǔn)，膜料防滲雖然有以上不足，但是作為一種新型防水材料，發(fā)展前途仍然很大。

3.3.2 換填措施

渠道除了凍脹問題，還面臨著比較嚴(yán)重的鹽脹問題膜，薄膜、聚氯乙烯等這些柔性材料就會隨著時間慢慢腐蝕，大多數(shù)土體頂松體積膨脹向上隆起，從而達(dá)不到改善渠道輸水率的效果，其結(jié)果反而適得其反，它不同于凍脹的是：凍脹一般是在寒冷的冬季里發(fā)生，而鹽脹則是地溫在零度以上的秋冬交替季節(jié)就可以發(fā)生，在我國北方大多數(shù)寒區(qū)，渠基土多為凍脹敏感的黃土、黏土，這使得在寒冷氣溫下，渠道很容易發(fā)生凍脹，在秋冬交替土壤開始凍結(jié)時，渠基土反復(fù)的晝夜溫差交替變化和階段性氣溫波動的影響而產(chǎn)生鹽脹，使土層變得特別松軟，襯砌渠道混凝土面板表面多出現(xiàn)裂縫?；谶@幾種原因，用非凍結(jié)換敏感性材料換填凍結(jié)敏感性材料不失為一種行之有效的辦法。

我國水利部門普遍應(yīng)用砂礫石換填防治凍脹的措施，其中甘肅省水利科學(xué)研究所與甘肅省水利廳下屬部門合作，建立了試驗(yàn)渠段，得到用砂礫石換填后渠道凍脹明顯減小。砂礫石雖然確實(shí)有降低渠道凍脹的效果，但是這些材料大多數(shù)要外運(yùn)到現(xiàn)場，造價高，最重要的是在砂礫石墊層的渠道運(yùn)營中，由于表面混凝土襯砌接縫不嚴(yán)或因地基砂礫墊層不足而引起襯砌凍脹開裂，使帶有大量淤泥的水流不斷入滲渠底，使從來沒有或輕微凍脹的墊層中泥沙增多，日復(fù)一日，年復(fù)一年，如此的惡性循環(huán)下去，使渠道將無法正常運(yùn)行。因此，用砂礫石換填渠基土?xí)r，其技術(shù)措施必須夯實(shí)，避免發(fā)生“污染”，才能使渠道避免或減少凍脹。

3.3.3 保溫隔熱措施

襯砌渠道采用保溫措施，主要是利用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低的性能達(dá)到改變和控制渠道襯砌基土周圍熱量的輸入輸出及轉(zhuǎn)化過程，人為影響渠道的溫度場，使得凍土內(nèi)部的水熱耦合作用在時間和空間上向不利于凍脹的方向發(fā)展變化。

泡沫保溫板用于土工建筑物的防治凍害研究，在國外早就得到了較廣泛的應(yīng)用，近幾年我國也開始得到應(yīng)用，我國水電部水電科學(xué)研究院水利科學(xué)研究所率先將泡沫保溫板用于渠道襯砌下，并與山西省水利科學(xué)研究所、山西瀟河水利管理局合作，于1985年在渠道中進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。近幾年來，多用于渠道襯砌凍脹保溫的保溫板為聚苯乙烯泡沫塑料（EPS），其效果非常顯著，其一：有的1cm厚的泡沫板能減少凍深達(dá)30cm是完全有可能的。山東引黃濟(jì)青輸水河防滲襯砌工程中使用保溫板的實(shí)踐表明，鋪設(shè)2.0cm的聚苯乙烯泡沫保溫板，在低溫條件下可提高其下臥土層溫度3.99度;而鋪設(shè)4.0cm厚的保溫板，可增高其下臥土表溫度7.2度。銀英姿等（2001）在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)渠系試驗(yàn)工程的效益觀測結(jié)果表明，鋪設(shè)5cm厚的EPS板后，其下的凍結(jié)深度減少32cm，底板下50cm凍深處的地溫上升2.6度，從未凍層進(jìn)入凍結(jié)層中的水分遷移量減少40%，其表面的凍脹量減少78%;而鋪設(shè)10cm厚的EPS板后，其下的凍結(jié)深度可減少65cm，底板下50cm深度處的地溫上升4.0度，從未凍層進(jìn)入凍結(jié)層中的水分遷移量減少60%，其表面的凍脹量減少89%。其二：施工方便，渠道開挖段較小，不對基土進(jìn)行攏動，直接將苯板置于基土上，在苯板上直接進(jìn)行襯砌材料的施工;其三：在一定條件下，造價便宜，使用的施工機(jī)械少，人工省。采用苯板鋪設(shè)，不用進(jìn)行基土換填，避免了土石方機(jī)械的大量使用。

4 建議及發(fā)展

渠道防滲抗凍脹一直是我國水利部重視的問題，近十幾年來，我國的渠道技術(shù)措施也取得了很大的進(jìn)步，但是，還存在一些問題亟待解決。

（1）對于有限元軟件的應(yīng)用，不能僅僅局限于應(yīng)用，應(yīng)該理論聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，對于水熱力三場耦合，目前還存在很多問題，比如：參數(shù)的合理選取，現(xiàn)在我們所做的一些耦合分析，其參數(shù)大多數(shù)來源于前人的研究工作，凍土的發(fā)展本質(zhì)是凍土多孔介質(zhì)中土骨架、冰晶體、未凍水這三種物質(zhì)在溫度、土水勢、壓力與變形等外界因素作用下的相互運(yùn)動、遷移、擴(kuò)散與相變，因而是一個極其復(fù)雜的熱力學(xué)、物理化學(xué)和力學(xué)的綜合問題。所以，對于耦合參數(shù)的選取問題，建議有一個全面的測量分析，建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系和數(shù)據(jù)庫，這樣耦合分析的結(jié)果會更加接近實(shí)際，更加具有說服力。

（2）現(xiàn)如今，污染越來越嚴(yán)重，環(huán)境條件也愈來愈惡劣，我國很多地區(qū)土地面臨著鹽堿化，渠道如何在鹽堿地區(qū)正常地運(yùn)營工作是一個有待探討鉆研的問題。

（3）換填措施需要很過硬的施工技術(shù)，在換填過程中，要避免混入粉質(zhì)黏土使其成為凍脹敏感性土，在換填中，要對渠基土嚴(yán)格清理，雜草之類的污染物是其隱患之一，所以，施工中機(jī)械設(shè)備有待提高。

（4）我們應(yīng)該大力提倡就地取材，廢料的重利用，在地下水位較高的平坦地區(qū)，黏性土往往富集在此，同時渠基土凍脹嚴(yán)重，但是又比較缺乏粗料料源，這種情況下，如果能就地取材，將會解決工程界的一大難題，在我國新疆，甘肅河西走廊，內(nèi)蒙古及寧夏等地與沙漠毗鄰，風(fēng)積沙和淤積沙是取之不盡資源，如果能論證將風(fēng)積沙或淤積沙作為換填材料，將為這些地區(qū)開辟新的抗凍建材來源。

（5）強(qiáng)夯法是一種既簡單又直接的減小渠道凍脹的方法，經(jīng)強(qiáng)夯處理后，土的成分并沒有改變，但是土的結(jié)構(gòu)確實(shí)發(fā)生了變化，凍脹也有了明顯的減小，建議將來的研究中會重視。

5 結(jié)語

本文通過渠基土的凍脹機(jī)理、渠道襯砌的研究方法和建議措施三方面來展開研究，對灌區(qū)渠道凍脹做了詳細(xì)系統(tǒng)的分析，眾所周知，渠道凍脹是引起渠道失水的主要原因之一，只有從設(shè)計(jì)、研究、施工多方面加強(qiáng)管理，結(jié)合防治措施，才能有效地削減渠道凍脹，減少工程開支，節(jié)省人力物力資源，從而提高灌區(qū)渠道輸水效率和渠系水利用率。

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