灌溉渠道防滲選型與設計淺析

楊繼松，呂彥偉

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

灌溉渠道輸水過程中面臨滲漏損失，尤其是砂性土或上黏性土下砂性土雙層結構可能存在浸沒問題的渠道，渠道的滲漏水量不僅降低了渠系水的利用系數(shù)，減少了灌溉面積，浪費了水資源，還會引起地下水位上升，導致農(nóng)田浸沒漬害，在有鹽堿化威脅的地區(qū)還會引起土壤的次生鹽堿化，如渠坡發(fā)生滲透破壞，甚至會危及工程的安全運行。為了減少渠道輸水損失，提高渠系水利用系數(shù)，避免對渠外農(nóng)田產(chǎn)生浸沒影響和渠堤滲透破壞，在渠道設計中應針對渠道的地形、地質條件，進行渠道防滲設計，減少滲漏損失水量，保障工程安全，降低對周邊農(nóng)田的浸沒影響。

以某大型灌溉渠道為例，對渠道防滲設計型式的比選、土工膜防滲渠道設計及相關計算進行論述，為灌溉渠道防滲工程設計提供參考。

1 工程概述

某大型灌溉渠道設計流量超過300 m3/s，縱向坡比1/25000，采用梯形復式斷面，底寬30 m，渠基為砂性土渠段占渠道總長的85.0%，渠道滲漏問題突出，且渠坡砂性土可能產(chǎn)生的滲透變形類型為流土或管涌，不同地層允許坡降J如下：級配不良細砂（粉土質細砂）J允=0.35（流土）；級配不良中砂（含細粒土中砂）J允=0.25（流土）；級配不良（良好）粗砂（細礫）J允=0.20（管涌）。

渠道兩側黏性土層較薄，地下水位較高，工程運行后渠水位高于地下水位的上黏性土下砂性土雙層結構部分渠段可能產(chǎn)生渠道浸沒。參考經(jīng)驗值，沿線農(nóng)作物區(qū)地下水埋深臨界值為黏性土2.0 m（毛細水上升高度1.5 m，土壤層0.5 m），細砂1.0 m，粗砂、礫0.5 m。

根據(jù)地質建議，選取有滲漏和浸沒問題的渠段進行防滲設計。

2 防滲方案比選

渠道防滲措施主要有混凝土防滲、黏土斜墻防滲、復合土工膜斜墻、心墻防滲以及垂直防滲墻等形式［1］。由于工程地處嚴寒地區(qū)，渠段防滲處理如采用混凝土板，冬季凍脹問題不易解決，混凝土板將產(chǎn)生凍脹變形從而破壞渠道。而渠道沿線主要以砂性土為主，黏土料需外運，造價高不經(jīng)濟，所以在進行防滲方案比選時，主要考慮復合土工膜防滲和垂直防滲墻兩種型式。針對兩種防滲型式進行設計，分別計算工程投資并對比分析，從而選定防滲方案。

2.1 方案1：復合土工膜防滲方案

渠道內部鋪設復合土工膜方案，具體防護措施為渠底下2 m、渠坡下1 m鋪設復合土工膜，其上覆土，以阻斷渠道內、外水流的滲流通道。深埋土工膜頂部高程至設計水位以上0.5 m再加以渠坡雙側護砌、混凝土固腳，格賓護腳以保護渠坡穩(wěn)定，渠坡防護高度至渠頂。復合土工膜防滲方案的滲流場及浸潤線，如圖1所示。

圖1 復合土工膜防滲斷面浸潤線及滲流網(wǎng)

2.2 方案2：防滲墻方案

渠道設置垂直防滲墻方案，具體防護措施為在渠道兩側堤岸中間位置處從頂部開始設置防滲墻，經(jīng)過計算，防滲墻深度15 m時防滲墻方案的滲流場及浸潤線如圖2所示。

圖2 垂直防滲墻斷面浸潤線及滲流網(wǎng)

從計算結果可以看出，采用復合土工膜防滲后，渠水對地下水位基本不產(chǎn)生影響；采用防滲墻方案后，渠水對地下水位的影響隨著防滲墻深度加深而逐漸降低，當防滲墻深度15 m時，渠道兩側管理區(qū)范圍外地下水最小埋深2.5 m，滿足農(nóng)作物區(qū)地下水埋深臨界值要求，渠堤兩側不會產(chǎn)生浸沒影響。兩種方案渠堤外邊坡均不會產(chǎn)生滲透破壞。

兩個方案投資情況，詳見表1。

表1 兩個方案投資對比元

經(jīng)對比分析，土工膜方案投資要低于防滲墻方案，因此有滲漏和浸沒問題渠段防護措施采用渠內鋪設土工膜方案。

3 復合土工膜保護層抗滑穩(wěn)定分析

本工程部分渠段采用復合土工膜防滲，土工膜外設置覆土保護層，由于土工膜防滲隔水作用，覆土與膜面間可能存在薄層水膜，使其抗剪強度降低，致使邊坡穩(wěn)定性下降，選取典型渠段對土工膜保護層穩(wěn)定進行驗算。

土工膜上回填覆土，底板覆土厚2.0 m，邊坡覆土厚1.0 m；內開挖邊坡為1∶2.5，外回填邊坡為1∶3.0，地下水位低于渠底。

計算方法根據(jù)《渠道防滲襯砌工程技術標準》（GB50600-2020）中規(guī)定，埋鋪式膜料防滲渠道土保護層邊坡的穩(wěn)定分析宜采用簡化簡布法，保護層失穩(wěn)示意如圖3所示，簡化簡布法計算如圖4所示。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算：

圖3 土保護層失穩(wěn)示意

圖4 簡化簡布法計算

式中：bi為土條分條的寬度（m）；ai為Ni與鉛垂線的夾角（°）；Ni是滑動面對土條的支撐力（kN），方向與滑動面垂直；φi為滑動面上的土或土與膜料間的內摩擦角（°），土工膜與土壤之間摩擦角一般在8°～30°，參考國外經(jīng)驗邊坡坡度為3∶1（18.4°）［2］；ci為滑動面上的土或土與膜料間的黏聚力（kPa）；FS為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；γ、γm、γ'分別為滑土條的濕重度、飽和重度、浮重度（kN/m3），最高水位以上的土重按濕重度計算，計算滑動力時最高水位至驟降后的水位間的土重按飽和重度計算、驟降水位以下的土重按浮重度計算，計算抗滑力時最高水位以下的土重均按浮重度計算；hi1、hi2、hi3分別為相應于γ、γm、γ'的高度（m）。

根據(jù)《渠道防滲襯砌工程技術標準》（GB50600-2020），覆土保護層邊坡穩(wěn)定分析的控制工況應為渠水位驟降期［3］。

考慮到復合土工膜上鋪設土料位置位于渠底至距渠底4 m下邊坡范圍內，因此水位在下邊坡0～4 m范圍內驟降，渠道水位降落速度為0.3 m/h。

經(jīng)計算，典型渠道土工膜抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 復合土工膜防滲型式應注意幾點問題

采用復合土工膜防滲措施，應注意如下問題。

（1）應根據(jù)渠道的規(guī)模、防滲等級要求以及合理使用年限等分析復合土工膜防滲措施是否適用。

（2）地下水位高于渠底時，應設置排水設施，不應在地下水位以下設置土工膜。

（3）復合土工膜性能指標、施工方法應符合現(xiàn)行國家標準相關規(guī)定。

（4）復合土工膜施工質量對工程的防滲效果至關重要，因此須按施工工序精心施工［4］。

5 結論

（1）灌溉渠道設計流量較大且渠基為砂性土渠段占比較大時，渠道沿線滲漏問題突出，亦可能有浸沒和滲透破壞問題，設計中應充分考慮渠道防滲措施并進行方案比選。

（2）本文結合工程實際，選擇復合土工膜和防滲墻兩種防滲型式進行比選，從節(jié)省投資角度分析土工膜防滲更具優(yōu)勢［5］。

（3）應結合渠道規(guī)模、抗?jié)B等級及合理使用年限等要求分析復合土工膜作為防滲材料是否合適，復合土工膜性能指標、施工方法應符合現(xiàn)行國家標準相關規(guī)定。