灌區(qū)渠道襯砌施工及結構穩(wěn)定性研究

摘 要：渠道襯砌是灌區(qū)水利灌溉系統(tǒng)的重要組成部分，其可以保證灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定地運行。本文針對梯形截面的渠道襯砌結構，給出詳細的施工流程，從影響渠道襯砌結構穩(wěn)定性的滲流問題出發(fā)，構建飽和滲流模型和穩(wěn)態(tài)滲流模型，說明了滲流速度、滲流流量和滲流系數(shù)等關鍵參數(shù)的關系。在渠道襯砌結構穩(wěn)定性的測試試驗中，本文施工方案得到的襯砌結構，在X、Y、Z這3個方向上的滲流流量都大為減少，表明襯砌結構具有很好的穩(wěn)定性。

關鍵詞：水利灌溉系統(tǒng)；渠道襯砌；飽和滲流模型

中圖分類號：TV 52 " 文獻標志碼：A

灌區(qū)水利工程建設在國民經濟總體結構中占有非常重要的地位。水利工程可以防止洪澇災害、輔助灌溉，為日常生產和生活提供重要保障。要推動水利工程的更好發(fā)展，就需要建立完善的基礎設施。灌區(qū)是水利工程基礎設施的典型形式，通過修建各種水利工程，對種植區(qū)域面積上進行合理灌溉[1]。灌區(qū)不僅能為生產提供必要的水源，還能實現(xiàn)自然水利資源的二次分配，使其在灌溉的分配上更加合理[2]。灌區(qū)灌溉的水利系統(tǒng)一般由縱橫交錯的渠道構成，渠道襯砌是其中最重要的構成單元。在渠道襯砌的屏蔽作用下，引流水不會滲入土壤，從而可以高效地注入農田完成灌溉[3]。然而，如果施工技術不當加上使用年限增加，渠道襯砌就會出現(xiàn)漏點、裂縫，甚至導致滲流現(xiàn)象發(fā)生。滲流現(xiàn)象不僅會造成灌溉水資源的巨大浪費，還會導致渠道結構不穩(wěn)定，從而給灌區(qū)的正常工作帶來嚴重危害。因此，本文設計了渠道襯砌的合理施工流程，然后對其結構穩(wěn)定性進行分析，并通過試驗加以測試。

1 灌區(qū)渠道襯砌施工流程設計

1.1 渠道襯砌的截面設計

為了滿足灌區(qū)引流灌溉的需要，水渠一般要采用梯形截面的明渠設計。梯形截面的明渠對地形反復變化的適應性強，渠內水流流速均勻，施工建設成本低，使用周期長。梯形截面的明渠設計如圖1所示。

在梯形截面的明渠結構中，兩側通過混凝土密封加回填料。這種施工方法可以最大限度地利用明渠開挖時的原料，而使用混凝土又提高了襯砌邊墻的強度。水流沖蝕腐蝕最嚴重的是襯砌底部，因此，明渠底部采用雙層設計，上層仍然采用混凝土材料設置底板，下層就地取材或購置碎石形成墊層。

1.2 渠道襯砌的施工流程

首先，要挖掘灌區(qū)的灌溉水渠，將這個階段的施工稱為基坑挖掘。在基坑挖掘的過程中，要放線完成測量，給出確定的挖掘位置和挖掘范圍。需要注意的是，對軟土土質和硬土土質，要采取不同的挖掘方法。軟土土質的挖掘過程中要配合支撐，避免塌方。對硬土土質來說，放坡開放挖掘即可。

其次，在水渠大體挖成后，要對底部進行回填，保證水渠底部堅實。在底部回填的過程中，要注意對雜物進行有效清除?；靥钜粚?，夯實一層，按照從下到上的順序逐層夯實。每層的厚度以20cm左右為宜，夯實后要對平整度進行監(jiān)測，然后要進行削坡處理。削坡的主要目的是保護渠道免受破壞，例如踩踏和沖刷。為了實現(xiàn)這個目標，削坡時必須保證表面平整，并嚴格控制高程。削坡通常采用人工掛線法，以保證施工精度和符合設計要求。使用這個方法可以保證削坡的準確性和平整度。如果削坡不足，就需要進行修坡，如果削坡過量，就需要回填夯實或填充同等級混凝土，保證渠道結構的穩(wěn)定性和保障安全性。

邊墻和底部襯砌施工的關鍵是混凝土的配比。施工時需要充分考慮混凝土的耐久性、抗?jié)B性及抗凍性，保證工程的質量和長期穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)這些性能，要嚴格控制水泥、 砂石的配比，并采用高質量材料。在配比過程中，要嚴格按照圖紙規(guī)范操作，保證每種材料的用量和比例符合設計要求。

最后，施工縫控制。這是整個施工流程的關鍵步驟。為保證結構完整性和穩(wěn)定性，須采取措施預防和處理。在澆筑前，清理原混凝土表面的游離附著物和松散顆粒是關鍵，否則會成為施工縫源頭。使用適當?shù)墓ぞ吆颓逑磩┐蚰_洗，保證表面干凈。此外，對混凝土表面進行適當補漿，填補微小裂紋、氣孔和不平整處，為新舊混凝土提供平滑接觸面。在澆筑過程中，要保證混凝土連續(xù)性和均勻性，避免停頓或斷層，減少施工縫。

2 灌區(qū)渠道襯砌施工的結構穩(wěn)定性分析

在灌區(qū)渠道襯砌建成后，結構穩(wěn)定性面臨的最大安全隱患是渠內水流長時間沖蝕，在襯砌邊墻或襯砌底部容易形成漏點或裂縫，從而導致渠內流水持續(xù)泄露，形成與地下水之間的滲流循環(huán)。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，不僅會導致灌溉水大量流失，還會對襯砌結構造成破壞、大大縮短渠道襯砌的使用壽命，破壞灌溉系統(tǒng)。

滲流涉及的主要參數(shù)包括渠內水流滲流的速度、渠內水流滲流的流量等。滲流一般發(fā)生在渠內水流和地下水系形成連通，且渠道周邊土壤含水量不飽和之前，由此可以得到飽和狀態(tài)下的滲流公式（1）。

（1）

式中：x為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發(fā)生滲流時的x向坐標；y為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發(fā)生滲流時的y向坐標；z為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發(fā)生滲流時的z向坐標；vx為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的x向分量；vy為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的y向分量；vz為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的z向分量；S為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后的滲流邊界；H為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后的水頭損失。

從飽和狀態(tài)滲流方程可以延伸到穩(wěn)態(tài)滲流方程，如公式（2）所示。

（2）

式中：Kx為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發(fā)生滲流的系數(shù)x向分量；Ky為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發(fā)生滲流的系數(shù)y向分量；Hz為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發(fā)生滲流的系數(shù)z向分量。

采用公式（2）可以進一步得到地下水滲流過程中的不穩(wěn)定滲流方程，如公式（3）所示。

（3）

從上述3個公式可以看出，在渠道襯砌建設過程中預防滲流發(fā)生，要明確滲流所發(fā)生的空間位置，包括x、y、z這3個方向上的坐標。同時，滲流特征描述要重點關注滲流速度指標，并需要對滲流發(fā)生時在空間的3個速度分量分別進行計算。滲流模型中還涉及滲流發(fā)生的邊界，這可以限定滲流現(xiàn)象的區(qū)域范圍。滲流區(qū)域所在的土質結構所具有的滲流系數(shù)以及滲流過程中的水頭損失，也都會影響滲流的程度。由此可見，渠道襯砌的滲流過程是一個多參數(shù)交互影響的復雜過程。因此，需要基于這些復雜參數(shù)的共同考量表達滲流過程。

在滲流發(fā)生的過程中，在渠道襯砌及其周圍的土壤中形成水流循環(huán)，會加速對襯砌結構的沖刷和腐蝕，這種持續(xù)的作用會導致渠道襯砌被破壞。滲流不僅具有沖刷和腐蝕作用，還會改變渠道襯砌所在區(qū)域的地質結構微系統(tǒng)，會導致渠道襯砌周邊土壤應力狀態(tài)，從而使渠道襯砌受到更多的影響和危害。因此，掌握滲流的規(guī)律特征，形成有效抑制和防護，是穩(wěn)定渠道工作、延長渠道襯砌使用壽命的關鍵，也是本文研究的重點。

3 灌區(qū)渠道襯砌施工的結構穩(wěn)定性測試試驗

按照本文的方法完成灌區(qū)的渠道襯砌施工，得到更加便利、高效的水利灌溉系統(tǒng)。為了驗證本文渠道襯砌施工的有效性，根據滲流對襯砌結構穩(wěn)定性的影響，進行性能測試試驗。要選擇原有渠道襯砌10個關鍵點位，并對其進行測量，分別測量這些點位的X向滲流流量、Y向滲流流量、Z向滲流流量，并以10個點位的平均值為最終的測量結果。按照同樣的方法，完成渠道襯砌施工后，仍然在原有的點位進行滲流測量，也檢測這些點位的X向滲流流量、Y向滲流流量、Z向滲流流量，并以10個點位的平均值為最終的測量結果，然后對比二者之間的差異。

根據渠道襯砌的經驗數(shù)據，實施襯砌保護后，滲流流量在持續(xù)的測量中會保持相對穩(wěn)定。滲流形成流量儲備需要一定時間，滲流流量的變化曲線不會是連續(xù)光滑或者漸進變化的形態(tài)，而是會呈現(xiàn)隨測量時間上下波動、小幅度震蕩的形態(tài)。但是，滲流流量變化的總體趨勢是相對光滑的。通過測量襯砌施工前后的滲流流量數(shù)值，可以有效地觀察滲流流量是否減少。

渠道滲流流量是一個體積型概念，因此會在X、Y、Z這3個方向上都存在滲流流量的分量。要觀察滲流流量是否達到預期的減少目標，就需要分別在X、Y、Z這3個方向上進行測量，并對襯砌施工前后進行對比。

第一組試驗：按照本文方法完成渠道襯砌施工后，通過試驗觀察滲流流量在X向的減少量比例。襯砌施工前后滲流流量在X向的對比如圖2所示。

從圖2可以看出，新施工的渠道襯砌系統(tǒng)，滲流流量在X向大為減少，在水流持續(xù)流動的過程中，X向滲流量最低減少81%，最高減少了92%。沿著觀測時間軸線來看，X向滲流流量減少程度的變化符合實際情況，不是持續(xù)光滑變動，而是呈現(xiàn)上下波動、小幅度震蕩的形態(tài)，且各個測量時間點之間的變化趨勢是無規(guī)律的。

圖2中的X向滲流對渠道襯砌造成的X向應力云圖如圖3所示。

從圖2可以看出，滲流過程會產生應力，這種應力會加速渠道襯砌的底部和側壁老化。按照同樣的方法，進一步觀察滲流流量在Y向的減少量比例，如圖4所示。

從圖4可以看出，新施工的渠道襯砌系統(tǒng)，滲流流量在Y向大為減少，在水流持續(xù)流動的過程中，Y向滲流量最低減少80%，最高減少了92%。

按照同樣的方法，進一步觀察滲流流量在Z向的減少量比例，如圖5所示。

從圖5可以看出，新施工的渠道襯砌系統(tǒng)，滲流流量在Z向大為減少，在水流持續(xù)流動的過程中，Z向滲流量最低減少78%，最高減少了88%。

4 結論

灌區(qū)灌溉的水利系統(tǒng)一般由縱橫交錯的渠道構成，渠道襯砌是其中最為重要的構成單元。在渠道襯砌的屏蔽作用下，引流水不會滲入土壤，從而高效地注入農田完成灌溉。本文以梯形明渠襯砌為主要結構形式進行施工，具體的施工流程包括基坑挖掘、回填夯實、削坡處理、混凝土配置、施工縫控制、伸縮量控制、混凝土振搗、襯砌養(yǎng)護。本文從襯砌滲流的角度出發(fā)，考察滲流對襯砌結構的影響，并給出穩(wěn)定性分析的具體方法。通過3個方向上滲流流量來考察本文施工后的渠道襯砌結構的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] 劉浩齊，王蘭蘭，張紅正，等.水利工程中農田灌溉防滲渠道襯砌施工技術分析[J].科技創(chuàng)新與應用， 2013（26）：1.

[2] 陳杰.水利工程中農田灌溉防滲渠道襯砌施工技術分析[J].文摘版：工程技術， 2015（13）： 92-95.

[3] 劉國峰，黃新磊，彭旭，等.輸水渠道襯砌修復組合式圍堰設備研發(fā)關鍵技術[J].中國水運， 2024， 24（4）： 24-28.