小農(nóng)水項(xiàng)目渠道防滲方式設(shè)計(jì)分析

黃曉鵬

保山市隆陽(yáng)區(qū)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，云南保山 678000

據(jù)統(tǒng)計(jì)，某些土渠以沙壤土作為渠道建設(shè)與防滲材料，粉砂質(zhì)的土壤屬性與較大的土壤縫隙使得渠道的輸水滲漏損失高達(dá)70%[1]，難以滿(mǎn)足農(nóng)田灌溉以及地區(qū)用水的需求，一方面會(huì)加劇農(nóng)田的欠收現(xiàn)象，嚴(yán)重違背灌溉工程設(shè)計(jì)的初衷；另一方面輸水滲漏現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致灌溉工程受到大量的水流沖擊，極易誘發(fā)溝道滑坡、山區(qū)泥石流以及地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，不利于農(nóng)田灌溉工程的正常運(yùn)行以及地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的維穩(wěn)。

1 渠道防滲材料選擇

渠道防滲材料眾多，包括土料、水泥土、膜料、漿砌石、混凝土等，其中最常使用的是漿砌石、混凝土。不同的材料具有不同的防滲功效以及不同的防滲技術(shù)，在實(shí)際進(jìn)行渠道防滲方式設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮渠道所在地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件、降雨量、水文條件、灌溉工程類(lèi)型、工程輸水量、農(nóng)作物類(lèi)型、農(nóng)作物需水量等因素，并以此為基礎(chǔ)，選擇滿(mǎn)足渠道施工費(fèi)用預(yù)期報(bào)價(jià)的工程材料作為渠道的防滲材料，在滿(mǎn)足實(shí)際水利應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上保障渠道工程施工的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，達(dá)到灌溉工程的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.1 土料

土料中的材料主要包括灰土、粘土、三合土、四合土等，土料具有一定的黏性與可塑性，其土壤微粒的粒徑相比于其他防滲材料而言較高，整體的穩(wěn)定性與穩(wěn)固性較差，容易受到水流的沖擊而發(fā)生水流侵蝕與沖淤作用，難以有效控制渠道輸水的流速與流向。由于土壤粒徑較粗，滲水率相較于其他防滲材料而言更高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，土料防滲每天每平方米的滲透量為0.06m3～0.17m3之間[2]，在寒冷的溫度條件土壤中的水分會(huì)發(fā)生凝結(jié)作用改變土料渠道的形狀，破壞土料渠道結(jié)構(gòu)的完整性，因此其施工完成后需要進(jìn)行精細(xì)化的維護(hù)與保養(yǎng)，以延長(zhǎng)其使用周期。但是土料防滲與其他的防滲材料與防滲措施相比具有取材便捷、施工流程簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，采用土料作為防滲材料只需就地挖取土壤將其夯實(shí)成固定的渠道形狀，即可完成渠道的施工與防滲設(shè)計(jì)，在我國(guó)華東與華南地區(qū)的中小型渠道中被廣泛使用。

1.2 水泥土

水泥土作為防滲材料，其防滲效果相較于單純使用土料而言有所提升，由于水泥的混合作用，水泥土防滲的抗水流沖刷與侵蝕能力以及抗凍能力均高于土料防滲，因此其使用生命周期相對(duì)土料而言也有所延長(zhǎng)。同時(shí)水泥土中的土料組分又具有就地取材的優(yōu)勢(shì)。因此，在暖溫帶、亞熱帶、熱帶地區(qū)經(jīng)常會(huì)使用水泥土作為防滲材料，但是由于其本身強(qiáng)度有限，其所具備的抗凍、抗冷縮能力也無(wú)法滿(mǎn)足在寒冷地區(qū)的輸水要求。

1.3 膜料

膜料通常是指塑料防滲漏膜或者土工防滲漏膜，在渠道的表面鋪設(shè)膜料可以有效隔絕水流的對(duì)渠道的滲入作用，據(jù)統(tǒng)計(jì)膜料防滲的滲漏量約為每天每平方米0.04m3～0.08m3，可以有效減少約90%的輸水?dāng)?shù)量滲漏損失，防滲效果較好。通常常用的膜料包括塑料防滲漏膜與土工防滲漏膜，土工膜料的防滲效果較塑料防滲漏膜而言有一定的差距，但是其造價(jià)相對(duì)較低，占地面積也較大，通常應(yīng)用于中小型低流速渠道建設(shè)與防滲措施中。塑料防滲漏膜的質(zhì)量較輕，運(yùn)輸成本相對(duì)低廉，但是單位面積的防滲成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土工防滲，通常應(yīng)用于大型高流速渠道建設(shè)與防滲措施中。

1.4 漿砌石

漿砌石施工采用擠漿法分層砌筑，砌筑應(yīng)先在基礎(chǔ)面上鋪一層3～125px厚的稠砂漿，然后安放石塊，且將大面朝下，砌筑程序?yàn)橄绕觥敖鞘?、再砌“面石”、最后砌“腹石”。由于砌石本身的硬度與耐磨性較土質(zhì)材料相比具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)，其在抗水流沖刷、抗寒抗凍、防滲漏等方面能力較強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，砌石防滲的滲漏量約為每公里0.3%～2%[3]，同時(shí)砌石防滲的材料獲取費(fèi)用相對(duì)較低，只需在當(dāng)?shù)厣絽^(qū)或石頭堆積處就地取材進(jìn)行運(yùn)輸即可，節(jié)省渠道工程施工成本。尤其是在我國(guó)的西南部地區(qū)，由于地質(zhì)活動(dòng)相對(duì)頻繁、山體滑坡與泥石流現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，從容易滑塌的傍山渠段以及石料較為豐富的山區(qū)采集砌石構(gòu)筑渠道將會(huì)極大地降低工程造價(jià)。由于石塊間空隙被充塞密實(shí)，因而具有更好的整體性、密實(shí)性和強(qiáng)度，可以防止?jié)B水漏水，增加抵抗侵蝕的能力。近年來(lái)，漿砌石的使用范圍有了進(jìn)一步擴(kuò)大，如為提高砌體抗拉和抗剪強(qiáng)度，在膠結(jié)材料層上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)或鋼筋，加筋的或不加筋的漿砌塊石建筑物設(shè)計(jì)的基本原理與混凝土或鋼筋混凝土中常用的原理相似。在中國(guó)水利工程大量使用漿砌料石或漿砌塊石，當(dāng)渠道的水量溢出時(shí)，可以及時(shí)利用砌石進(jìn)行渠道的加高與空缺填補(bǔ)，有利于渠道搶修工作的開(kāi)展。

1.5 混凝土

應(yīng)用混凝土作為防滲材料，可以使得渠道在大容量、高負(fù)載、高流速的水流作用下能夠保持內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)完善和平衡，充分利用混凝土材料的剛性與強(qiáng)度增強(qiáng)渠道的抗水流沖刷與侵蝕作用，使得渠道的耐磨性較強(qiáng)，渠道的使用壽命較長(zhǎng)，降低渠道的維護(hù)與保養(yǎng)費(fèi)用。同時(shí)，由于混凝土材質(zhì)的致密性，利用混凝土作為防滲材料的渠道可以減少水流滲漏損失率高達(dá)90%以上，而混凝土筑成后其表面相對(duì)光滑，糙率系數(shù)較低，對(duì)水流流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力較小，可以極大地提高渠道的輸水能力，避免水體泥沙淤積現(xiàn)象的發(fā)生。

在大型水利工程設(shè)施與渠道防滲設(shè)計(jì)中，混凝土是使用最為普遍的工程防滲材料。由于混凝土凝固后堅(jiān)硬如石，受壓能力好，但受拉能力差，容易因受拉而斷裂。為了解決這個(gè)矛盾，充分發(fā)揮混凝土的受壓能力，常在混凝土受拉區(qū)域內(nèi)或相應(yīng)部位加入一定數(shù)量的鋼筋，使兩種材料粘結(jié)成一個(gè)整體，共同承受外力，這種配有鋼筋的混凝土，稱(chēng)為鋼筋混凝土。用鋼筋和混凝土制成的一種結(jié)構(gòu)，鋼筋承受拉力，混凝土承受壓力，具有堅(jiān)固、耐久、防火性能好、比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2 渠道防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防滲措施

2.1 渠道選線(xiàn)設(shè)計(jì)

渠道選線(xiàn)是減少渠道水量滲漏的首要環(huán)節(jié)，自然環(huán)境與社會(huì)環(huán)境的選擇都會(huì)影響渠道的防滲效果。若是在地形起伏度較大、地質(zhì)活動(dòng)相對(duì)頻繁、地質(zhì)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜、地下水位較高、土壤質(zhì)地相對(duì)松軟的地段或區(qū)域建筑渠道，建筑地基的不穩(wěn)定會(huì)影響渠道的牢固性與使用壽命，溶洞、地下暗河等地質(zhì)狀況下極易產(chǎn)生地面沉降。渠道在長(zhǎng)時(shí)間的使用下會(huì)發(fā)生磨損與動(dòng)搖，破壞渠道的完整性。人居環(huán)境也會(huì)對(duì)渠道的防滲效果產(chǎn)生一定的影響，若是將渠道修筑在道路等的規(guī)則地物無(wú)排水系統(tǒng)附近，強(qiáng)降雨帶來(lái)的水量將全部進(jìn)入到渠道這一低洼區(qū)域內(nèi)，一方面會(huì)強(qiáng)化水流對(duì)渠道側(cè)壁的沖刷能力，尤其是在暴雨條件下，渠道極易出現(xiàn)溢流狀態(tài)，會(huì)破壞渠道防滲設(shè)施的基礎(chǔ)。因此在渠道選線(xiàn)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)當(dāng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)地形、降水量、人居環(huán)境等因素，選擇土質(zhì)強(qiáng)度較高、黏性較弱、致密性較好的區(qū)域作為渠道建筑區(qū)域，并注意避開(kāi)公路、鐵路等交通要線(xiàn)，以防止周?chē)姆e水向渠道流入。同時(shí)為了保證渠道輸水的獨(dú)立性，可以在渠道兩側(cè)以及渠道口上增加一定高度的混凝土蓋板，使得渠道的入水口高于地面，并在防滲渠的兩側(cè)開(kāi)挖截水溝，保證排水的通暢性。

2.2 渠道斷面設(shè)計(jì)

渠道斷面設(shè)計(jì)類(lèi)型對(duì)渠道的水量防滲漏能力具有較大的影響，目前渠道設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的斷面形狀包括U形、弧形坡腳梯形、弧形渠底梯形等。不同的斷面形狀具有不同的工程適宜場(chǎng)景。其中U形斷面下的渠道具有良好的水利條件，其斷面面積相較于其他兩種斷面而言較小，可以在一定程度上降低對(duì)土地資源的占用率，減少施工過(guò)程中的挖填土方量，通過(guò)更為內(nèi)斂的渠道斷面加快渠道內(nèi)水體的流速，減少水體的泥沙堆積現(xiàn)象。同時(shí)，由于U型渠道具有較強(qiáng)的整體性，因此其防滲漏效果也較好，經(jīng)常應(yīng)用于中小型渠道斷面設(shè)計(jì)中?；⌒纹履_梯形斷面的開(kāi)口相對(duì)較大，水利半徑較大，因此，以弧形坡腳梯形作為斷面的渠道水體流速相對(duì)較緩，過(guò)水條件較好，濕周較小?；⌒纹履_梯形與弧形渠底梯形的弧線(xiàn)起伏相對(duì)連貫，在渠道最為薄弱、最易發(fā)生伸縮縫開(kāi)裂的渠道分縫處，弧形斷面設(shè)計(jì)可以有效降低渠道的伸縮率，進(jìn)而提升渠道的耐久性與使用壽命，經(jīng)常應(yīng)用于地下水位較高的大中型渠道斷面設(shè)計(jì)中。常見(jiàn)的渠道斷面型式有矩形、梯形、U型和復(fù)合型，其中，梯形斷面的施工流程相對(duì)簡(jiǎn)單、施工復(fù)雜度較低。在邊坡穩(wěn)定性較高且地質(zhì)特征無(wú)特殊問(wèn)題的地區(qū)均可采用U型斷面設(shè)計(jì)。弧形底型渠道適應(yīng)凍脹變形能力強(qiáng)，在北方地區(qū)應(yīng)用較多。矩形斷面一般適合于硬質(zhì)建筑材料的地區(qū)，如用卵石、石板及砭作襯砌材料的渠道。

3 結(jié)語(yǔ)

防滲材料與防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是小農(nóng)水項(xiàng)目渠道防滲方法設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，材料的致密性、渠道選線(xiàn)設(shè)計(jì)與渠道斷面設(shè)計(jì)關(guān)系到渠道的使用壽命以及渠道輸水滲漏損失率。因此，在實(shí)際的渠道防滲設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀慌c人文條件進(jìn)行綜合考量與防滲方案制定。

[1] 王麗原，楊曉玉. 樺川縣小農(nóng)水項(xiàng)目渠道防滲方式分析[J]. 黑龍江水利科技，2013，41（8）：166-167.

[2] 王小勇. 灌區(qū)節(jié)水改造工程中幾種渠道防滲方式的應(yīng)用[J]. 山西科技，2009（6）：141-142，145.

[3] 李安國(guó). 渠道防滲工程技術(shù)[J]. 節(jié)水灌溉，1998（4）：6-8，45.