混凝土襯砌與土工膜鋪設(shè)對渠道建設(shè)及運行的影響

魏淑卿,馬強,榮德劍，馮躍華

(河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475002)

0 引言

水資源利用效率低下是造成中國水資源短缺的主要原因之一，在農(nóng)業(yè)取水、輸水、配水和田間灌溉全過程中，灌溉用水效率損失較大，因此，如何實現(xiàn)節(jié)水及提高輸水能力對保障灌區(qū)下游用水至關(guān)重要。據(jù)中國灌溉排水發(fā)展中心統(tǒng)計分析，2018年全國灌溉用水有效利用系數(shù)為0.55；另外，為響應(yīng)中央2008年1號文件提出的“實施糧食戰(zhàn)略工程，集中力量建設(shè)一批基礎(chǔ)條件好、生產(chǎn)水平高和調(diào)出量大的糧食核心產(chǎn)區(qū)”的號召，《河南糧食生產(chǎn)核心區(qū)建設(shè)規(guī)劃(2008—2020年)》將趙口引黃灌區(qū)二期工程列為糧食核心區(qū)建設(shè)規(guī)劃中重點建設(shè)的大型新建水利工程建設(shè)項目，并相繼被列入國家172項節(jié)水供水重大水利工程、河南省“四水同治”十大重點水利工程。

1 工程概況

1.1 工程任務(wù)

趙口引黃灌區(qū)位于豫東平原，灌溉區(qū)域涉及豫東5市的10縣3區(qū)，設(shè)計灌溉面積39.13萬hm2。灌區(qū)以趙口總干渠～運糧河～渦河為界，渦河以西區(qū)域作為續(xù)建配套項目區(qū)(不含渦河柘城以西部分)，渦河以東(含渦河柘城以西部分)作為趙口二期項目區(qū)。

趙口引黃灌區(qū)二期工程設(shè)計灌溉面積14.70萬hm2。工程主要任務(wù)是在現(xiàn)有工程基礎(chǔ)上，通過新建、擴建、改建等措施，建設(shè)灌區(qū)灌排工程系統(tǒng)和配套工程，主要解決灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水需求，并兼顧為部分區(qū)域鄉(xiāng)鎮(zhèn)二三產(chǎn)業(yè)供水，同時提升區(qū)域水資源配置能力，改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境，為灌區(qū)經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供水資源支撐。

1.2 建設(shè)內(nèi)容

趙口引黃灌區(qū)二期工程主要建設(shè)內(nèi)容包括：總干渠、東二干渠等渠道31條，總長373.98 km；渦河故道等河(溝)道28條，總長262.57 km；各類建筑物1 035座。工程總投資38.88億元。

1.3 工程布局

趙口引黃灌區(qū)二期工程從改造后的趙口引黃渠首閘引水，灌區(qū)上游以總干渠、東一干渠和東二干渠等形成以自灌為主的灌排網(wǎng)絡(luò)，灌區(qū)中下游主要利用陳留分干、朱仙鎮(zhèn)分干、幸福干渠等渠道輸水灌溉，利用渦河、惠濟河等天然渠道輸水，利用現(xiàn)有河(溝)道修建攔河閘等對水量進行調(diào)蓄，灌排結(jié)合、井渠結(jié)合，實現(xiàn)河、渠交叉網(wǎng)絡(luò)供水。

2 采用防滲減滲等節(jié)水措施的必要性

《國家糧食安全中長期規(guī)劃綱要(2008—2020年)》指出，要實現(xiàn)全國新增 500 億kg糧食生產(chǎn)能力的目標，對于黃淮海區(qū)要加強大中型灌區(qū)的渠道防滲建設(shè)，優(yōu)化井渠結(jié)合灌溉模式，減少地下水超采，加快推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水資源利用率。適度新建水源工程和新建灌區(qū)工程，以增加灌溉供水，發(fā)展農(nóng)田有效灌溉面積。因此，工程渠道設(shè)計采用混凝土襯砌及鋪設(shè)土工膜等防滲減滲措施，是對規(guī)劃綱要中提出的推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水資源利用率而采取的重要舉措。

2.1 保證末端渠系引水需要

大型灌區(qū)渠系設(shè)置常常不限于干、支、斗、農(nóng)、毛，會包含多個層級。一般總干設(shè)計流量較大，但經(jīng)干渠、分干、支渠等多層分級后，支渠的設(shè)計流量會大大減少。趙口二期工程中總干設(shè)計流量為123.17 m3/s，但有的支渠設(shè)計流量僅有0.70 m3/s，且支渠控制灌溉面積≥1 333.33 hm2。為保證下游末端渠系達到設(shè)計流量，必須采取防滲減滲措施，減少中途水量損失。

2.2 提高輸水能力滿足自流灌溉需要

此灌區(qū)絕大部分地區(qū)屬黃河沖積平原，少部分屬黃河河漫灘。渠首設(shè)計水位 83.05 m，西北向東南微傾，西北高程約80 m，東南部地面高程約40 m，地面坡降為1/3 000～1/8 000，灌區(qū)內(nèi)總體地形較為平坦，渠首水位可滿足全灌區(qū)供水要求，灌區(qū)中上游以渠灌(田間自流)為主，井灌為輔。因灌區(qū)原渠道堤身填土多以渠道開挖土做填筑土料，土質(zhì)巖性以沙壤土為主，局部夾粉質(zhì)壤土薄層，土質(zhì)不均一，孔隙比e=0.64～0.93，壓縮模量 Es=6.63；堤基多為粘砂雙層結(jié)構(gòu)，地層巖性以沙壤土、粉質(zhì)壤土為主，具弱～中等透水性，因此渠道土質(zhì)巖性抗沖刷、抗?jié)B透能力差。為提高渠道輸水能力，充分發(fā)揮自流灌溉用水成本較低優(yōu)勢，必須滿足坡降比適當、渠身安全可靠、輸水能力穩(wěn)定等條件，因此采取防滲減滲與節(jié)制閘抬升渠道水位相結(jié)合措施是提高輸水能力實現(xiàn)自流灌溉的需要。

2.3 減少泥沙淤積需要

黃河水的最大特點就是含沙量高，引水輸水過程中極易造成泥沙淤積。通過2014—2017年總干渠段實際引水過程、采用對應(yīng)年月的實測花園口站含沙量，通過一維非恒定流水沙演進數(shù)學模型模擬不同引黃水沙過程在該渠段內(nèi)演進、分段沖淤等計算淤積量，然后將計算結(jié)果與 2017年和2019年實測計算淤積量進行對比。

一維非恒定流方程包括水流連續(xù)方程和動量方程。

(1)

式(1)中：Z為水位(m)；Q為流量(m3/s)；A為面積(m2)；B為水面寬度(m)；g為重力加速度(m/s2))；Sf為摩阻坡度；t為時間(s)；x為流程(m)，ql為旁側(cè)入流(引水、損失等)單寬流量(m3/(s·m))。模擬沉沙淤積計算結(jié)果見表1。

表1 總干渠段淤積計算成果(0+000～15+333)表

2017年實際清淤量17.33萬m3(16.80 km)，采用數(shù)學模型計算2014—2017年累計淤積量16.46萬m3。2019年3月根據(jù)實測淤積斷面計算襯砌段淤積量3.36萬m3，平均淤積厚度0.15 m，采用數(shù)學模型計算淤積量3.85萬m3，平均淤積厚度0.16 m。2014—2017年計算成果與實測淤積量剔除渠道長度不同的影響后，兩者相差 4%。通過以上表格對比可知，襯砌段泥沙淤積遠低于非襯砌段。為保障過水能力和工程安全，采用混凝土襯砌對提高渠道輸水速度，減少泥沙淤積很有必要。

3 減滲防滲措施

渠道輸水損失主要包括水面蒸發(fā)、滲水和漏水，其中水面蒸發(fā)損失只占總損失量的百分之幾，通常忽略不計，滲水損失約占渠道輸水總損失量的80%以上，因此提高輸水效率，做好減滲防滲是關(guān)鍵。由于趙口二期總干渠沿線樁號8+596～11+500段左岸為湖區(qū)，樁號11+000～11+500段右岸坑塘分布比較集中，其他段零星分布魚塘。非灌溉期總干段渠道在外側(cè)水位差作用下，滲水現(xiàn)象明顯。為了降低堤防浸潤線，提高水利用率以及防止總干渠發(fā)生渠道滲透穩(wěn)定破壞，該區(qū)段除了渠道采用全斷面混凝土襯砌外，同時采取了設(shè)置復(fù)合土工膜防滲措施?？紤]到渠道非灌溉期外水內(nèi)滲排除，工程中僅對渠道內(nèi)坡設(shè)置土工膜，渠底不設(shè)置。渠坡防滲復(fù)合土工膜壓在坡腳齒墻下，渠坡頂部防滲復(fù)合土工膜壓在封頂板，設(shè)置復(fù)合土工膜渠段取消渠坡排水孔。內(nèi)坡及渠底防護見圖1。

圖1 干渠內(nèi)坡及渠底防護結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

3.1 鋪設(shè)土工膜

利用土工膜渠道防滲節(jié)水措施是緩解水資源利用效率低下問題的最佳手段之一。根據(jù)渠道水位與現(xiàn)狀地面高程的相對關(guān)系，趙口二期工程在總干渠、東二干渠、朱仙鎮(zhèn)分干及陳留分干渠坡采用規(guī)格為600 g/m2的復(fù)合土工膜(兩布一膜)。渠坡土工膜由坡肩向下人工鋪至坡腳，按照上游幅壓下游幅的順序鋪設(shè)。為了防止下滑，在鋪設(shè)期間所有的土工膜用沙袋或輕柔性重物壓住，直至混凝土面板施工完為止。復(fù)合土工膜的拼接分3個程序進行，即下層無紡織布的縫合、中層土工膜的焊接、上層無紡織布的縫合。無紡織布的縫接采用手提縫紉機、尼龍線進行雙道縫接；中層土工膜采用焊接工藝聯(lián)結(jié)，搭接寬度≥10 cm，焊接溫度控制在300℃左右，焊機爬行速度控制在2～3 m/min。焊接完成，目測質(zhì)量合格后逐條縫采用充氣法檢測，充氣壓力0.15～0.2MPa，1-5 min無明顯壓降即為合格。對于發(fā)現(xiàn)的虛焊、漏焊的接縫及時用熱風焊槍進行補焊，驗收合格后再進行上部土工布縫合?？偢汕?fù)合土工膜布置情況見表2。

表2 總干渠段復(fù)合土工膜布置情況表

3.2 混凝土襯砌

在節(jié)水灌溉工程建設(shè)中，渠道襯砌的主要目的是防滲并減少渠道滲漏損失，提高輸水配水能力，增加渠坡的穩(wěn)定性，減小渠道的斷面尺寸。由于混凝土具有良好的防滲效果，一般可減少滲漏損失水量的85%以上并且耐久性強，還能加固渠床，提高渠道的抗沖刷能力，故灌區(qū)所有干渠、分干均采用厚度為0.10 m的C25W6F150現(xiàn)澆混凝土板進行全斷面襯砌，并在坡底設(shè)置齒墻。渠道混凝土襯砌包含混凝土澆筑、切縫、填塞閉孔泡沫板和抹密封膠等工藝，采用機械襯砌與人工襯砌相結(jié)合施工方式。

由于機械襯砌速度快、質(zhì)量穩(wěn)定、總體效果好以及工期緊等因素，工程中要求具備條件的作業(yè)面盡量采用混凝土機械襯砌，施工工藝由布料機布料、震動機振搗、抹面機抹面和人工壓光組成；對于襯砌機無法施工的渠段采用人工襯砌，混凝土采用溜槽布料，人工平倉，振搗棒和振動尺振搗，混凝土表面采用電動抹光機抹面，人工配合壓光。按照設(shè)計分縫位置，在襯砌混凝土抗壓強度達到1～5 MPa時切縫。坡面切縫采用支撐架支撐切割機，由坡腳向坡肩沿切割線依次切割。渠底切縫，由一人牽引切割機，一人控制切割機，沿切縫線依次施工。切縫過程中，嚴格控制切縫寬度及深度，刀具不得觸及下部的土工膜，深度按80 mm控制。切縫完成并清理干凈后向混凝土縫內(nèi)填塞閉孔泡沫板，閉孔泡沫板裁切成60 mm寬板帶，填塞好的閉孔泡沫板頂面距混凝土板外表面20 mm。閉孔泡沫板填縫完成后，將縫內(nèi)混凝土清洗干凈并保持干燥，采用專用工具注入聚硫密封膠，密封膠外表面與混凝土外表面保持平整一致。

4 混凝土襯砌穩(wěn)定性計算

對混凝土襯砌板，需驗算板的穩(wěn)定性，其計算條件見表 3。

表3 混凝土襯砌穩(wěn)定復(fù)核計算工況表

正常情況：對挖方渠段，計算條件為設(shè)計水深，地下水穩(wěn)定滲流；對填方渠段，設(shè)計條件為設(shè)計水深，堤外無水。

非常情況Ⅰ：正常情況下設(shè)計水位驟降0.30 m。

非常情況Ⅱ: 對填方渠段，渠內(nèi)閘前設(shè)計水位。

4.1 抗滑穩(wěn)定計算

圖2 渠道襯砌受力簡圖

正常情況下，護坡體內(nèi)外水位一致，水壓力相抵后，混凝土板的下滑力及摩阻力均由混凝土板自重產(chǎn)生。經(jīng)計算，渠坡腳處設(shè)置齒墻，渠道渠坡護砌可滿足穩(wěn)定要求。

以總干渠為例，邊坡系數(shù)1∶2.50，渠深3.66 m，底部設(shè)置 30 cm ×40 cm的齒墻。因為總干渠堤防寬度較大，穩(wěn)定計算的時候?qū)⒖偢汕喕癁橥诜角溃＿\行期，渠道水深和外水深是一致的。

經(jīng)計算，正常運行期襯砌抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.41；非常情況：正常情況下設(shè)計水位驟降0.20 m，安全系數(shù)1.10；均滿足規(guī)范要求。

4.2 抗浮穩(wěn)定計算

圖3 渠坡抗浮計算簡圖

根據(jù)總干渠勘測資料，渠道地下水位低于設(shè)計渠底，正常運行期，渠道內(nèi)外水位是一致的。經(jīng)計算，正常運行期襯砌抗浮穩(wěn)定系數(shù)為無限大，滿足穩(wěn)定要求；非常情況：正常情況下設(shè)計水位驟降 0.20 m，安全系數(shù) 4.58；均滿足規(guī)范要求。

5 運行效果

2020年12月11-12日趙口二期工程總干渠段順利通過河南省水利廳組織的通水階段驗收，由于農(nóng)業(yè)冬春灌的緊迫需要，12月13日總干渠就開始提閘向下游供水。通水以來，經(jīng)過4個多月的不間斷通水運行，通水效果及社會反響良好，滿足了設(shè)計要求。

6 結(jié)論

通過實例及應(yīng)用分析可見，在引黃灌區(qū)長距離輸水渠道上采取混凝土襯砌與復(fù)合土工膜鋪設(shè)聯(lián)合措施，既可以使用機械化施工手段加快建設(shè)速度，又因混凝土、土工膜等供料比較可靠易得，便于造價控制，同時還能提高渠道輸水能力、保證渠道工程安全穩(wěn)定，對建設(shè)節(jié)水型引黃灌區(qū)具有良好效果，建議推廣應(yīng)用。見圖4和圖5。

圖4 機械化混凝土襯砌圖

圖5 渠道通水效果圖