干支渠渠道防渗技术及其发展趋势探讨

　　摘要：随着国民经济的发展，农业用水量随之上升，水利用系数越来越的到人们的重视。本文根据近年来干支渠渠道防渗技术的发展，结合桃曲坡水库实际工程，对渠道防渗技术、防渗效果以及经济效益进行分析，并提出目前渠道防渗技术难点，以及可实施的解决方案。
　　关键字：干支渠 防渗技术 渗透理论 方案
　　Abstract: With the development of national economy, and the increase of agricultural water, water utilization coefficient has drawn more and more attention. In this paper, according to the development of canal seepage control technology of main and branch canal of recent years, and combining with the practical engineering Taoqubo reservoir, the author analyses the canal seepage control technology, anti-seepage effect and economic benefit, and puts forward the current difficulties of canal seepage control technology, and the available solution.
　　Keyword: main and branch canal; seepage control technology; seepage theory; solution
　　中图分类号 : TL353+.2文献标识码： A 文章编号：
　　1 前言
　　随着我国工业农业的迅速发展，以及人民生活水平的不断提高，各行业用水量也随之增加，尤其是农业灌溉用水更是占全国用水量70%以上，其中灌溉用水约占农业用水的92%。然而由于某些地区灌溉技术的限制使得本来有限的水资源不能得到充分的利用，据统计，我国目前灌溉水的利用系数不足0.5，全国已建防渗渠道还只占渠道总长的18%。
　　渠道防渗是我国目前农田灌溉节水措施中最为经济而且易于实施的节水措施之一，是我国目前最优先使用的也是使用范围最为广泛的节水技术措施。渠道防渗的作用不仅可以显著减少水的渗漏，提高渠系水利用系数，而且可以提高输水能力，水在防渗渠道中的流速一般较土渠高30%左右，引水能力比土渠增加50%左右，同时渠道防渗还有调控地下水水位、防止土壤盐碱化、沼泽化，改良生态环境和降低渠道管理养护费用以及减小渠道断面尺寸等作用。
　　正是由于渠道防渗有着如此经济且显著的使用效果才使得进一步发展和优化渠道防渗技术具有了重要的意义。
　　2 渗透理论
　　水由渠道深入渠床究其原因是水的渗流引起。渗流指的是水或其他流体透过岩土体孔隙流动的现象，水在岩土体中的渗流，一方面会引起水头损失，另一方面将引起土体变形。
　　法国工程师达西在垂直圆管中装砂进行渗透试验，得出层流条件下，土中水渗透速度与能量(水头)损失之间关系的渗流规律：达西定律即单位时间内的渗出水量q(cm3/s)与水力梯度i和渗透断面面积A成正比，且与图的透水性质有关：
　　其中：k是反映土的透水性大小的一个很有用的系数，称为土的渗透系数，相当于水力梯度i=1时的渗透速度，其量纲与渗透速度相同(cm/s)。
　　渗流的计算就是为了减少因水的渗流而引起的水利用系数下降，导致工程经济效益下降。对于水的渗流可以根据水流的形态分一维、二维、三维计算。灌溉渠道可按一维水流态进行计算即一维渗流计算方法。
　　3 防渗设计
　　3.1 防渗材料
　　渠道防渗常用的防渗材料有土料、石料、水泥土、混凝土、膜料、沥青混凝土等。各种防渗措施用料及特点如下表所示：

防渗材料	用料	优点	缺点
土料	粘性土、黏砂混合土、灰土、三合土和四合土等	该材料能就地取材，料源丰富，技术简单，造价低廉，可以利用碾压设备	渠道允许流速较低，抗冻性差
水泥土	水泥、土	便于就地取材、防渗性能较好、施 工简便	水泥土的早期强 度低以及抗冻性差
砌石	干砌卵石、干砌块石、浆砌料石、浆砌块石、浆砌石板等	抗流速大、能就地取材、抗冻和防冻害能力强、耐磨能力强，有较好的防渗效果以及较强的稳定性等	不易机械化施工，故施工质量难于控制；造价不一定低，采用时应进行经济技术论证
混凝土	混凝土	防渗效果好、糙率低、强度高、便于管理等	适应变形的能力差， 在缺乏砂石料的地区造价较高
沥青混凝土	沥青、混凝土	具有良好的不透水性、耐久性和柔性等	该材料应用发展较慢，究其原因，主要是存在料源不足、植物穿透和施工工艺严格等问题
土工膜料	聚乙烯（PE ）、聚氯乙烯（PVC ）等	防渗性能好、适应变形能力强、质量轻、用量少、运输量小、施工简便、工期短、耐腐蚀性强、造价低等	土工膜较薄，在施工和运行管理期易被刺破，使得其防渗性能大大降低
新型固化土防渗材料	土壤固化剂	可就地取材、工程造价低、施工简单方便、防渗效果较好等	抗冻性不稳定、耐久性差等

　　3.2 衬砌结构型式
　　目前我国渠道衬砌的断面形式大多采用梯形、矩形、U形及复合形。矩形和梯形渠道优点是施工简单，但水流速度慢，抗冻性能不好。U形断面的渠道较矩形与梯形防渗效果更好而且具有水流条件佳、体积小、结构稳定性好、抗冻胀变形能力强、造价低、使用寿命较长等优点。
　　4 工程实例
　　4.1工程概况
　　桃曲坡水库是一座以农业灌溉为主，兼有城市供水的中型水利工程。水库位于石川河支流沮水河的下游，地处铜川市耀州区城北15km处的沮河峡谷地带，是一座以农业灌溉为主，兼有城市供水的中型水利工程，总库容5720万m3，有效库容3949万m3。桃曲坡水库灌区位于关中北部的渭北旱塬区，辖铜川市耀州区、铜川市新区、渭南市富平县和咸阳市三原县等两区两县21个乡镇，198个行政村，916个村民小组，总人口46.7万人，其中农业人口37.9万人。灌区灌溉是以桃曲坡水库供水为主，兼有引清、引洪，跨流域调水，蓄、引、提结合多渠首多水源的灌溉系统。灌区设施灌溉面积31.83万亩，有效灌溉面积25.5万亩，灌溉保证率为50%。灌区主要设施包括桃曲坡水库、红星水库、尚书水库和马栏、岔口两座自流引水枢纽，共有干渠5条，总长93km;支渠35条，总长139.2km，干支渠建筑物892座。
　　4.2防渗方案
　　先选取其中东干渠某段为试验渠，渠身原土料为壤土。经反复比较, 选用土工膜加混凝土薄板衬砌作为试验渠段的处理方案。土工膜采用的是Rm高充填PVC合金膜，密度为1.3g/cm3, 厚度为0.25mm, 抗拉强度为14～16MPa，延伸率≥250%。
　　试验段渠道设计流量q=15.0m3/s,渠道开挖后如图1所示，由于渠道断面宽浅防渗膜采用埋铺式全铺，具体铺设方案如图2
　　渠底土工膜铺设完毕后, 渠底及弧形部分直接浇筑混凝土。以上边坡过渡层采用20～30mm厚砂浆，保护层采用预制150#混凝土，厚80mm，防渗层详细构造见图3。
　　4.3施工工艺
　　施工工艺的优劣直接关系到渠道防渗的效果和经济效益。对于土工布和现浇混凝土防渗施工工艺中最重要的部分是保证土工膜的完整性，以及水渠边坡保护层的稳定。
　　4.3.1 铺膜
　　铺膜前要对渠床上的尖角沙石，树根杂草进行清理，并根据渠道设计宽度每边预留至少5cm以便铺膜，然后将原土夯实。膜料接缝采用特种PVC粘接剂，连接前需将膜料擦拭干净，粘结宽度5~10cm。若膜料出现损坏破洞，应及时进行修补，防止渗漏。施工时土工膜不宜拉的太紧，施工人员要注意不要将膜料踩破，冬季温度太低不宜施工。
　　4.3.2过渡层
　　因过渡层直接铺在土工膜上，过渡层砂浆不宜太厚，太厚易致使砂浆下滑。
　　4.3.3砌筑保护层
　　渠底过渡层铺设完成之后，再现浇200#混凝土，厚度12cm。渠底及弧形部分采用用现浇混凝土，以上采用40厘米x50厘米、50厘米x80厘米两种预制板铺设。原因是，混凝土施工简单，利用拦头模板可进行部分浇筑，能够保证渠道底部及过水部分的整体性。以上部分由于边坡坡较陡，施工时现浇混凝土容易沿土工膜下滑，土工膜上又不便于支模，施工难度较大且效果不如预制混凝土板好，而且上部预制板损坏也便于及时更换。
　　4.4防渗效果
　　从2000年开始利用世行项目进行骨干工程改造，水利用系数从0.65提高到0.88。本灌区年平均饮水3500万m3灌区自开灌以来，为当地农业增产、农民增收和农村稳定工作做出了重要的贡献。粮食亩产由开灌初期的150kg提高到现在的630kg，区域内农作物种植结构由以前的单一粮食型向多经高效格局发展，复种指数从开灌前的1.25提高到近年的1.57，累计增产粮食6.4亿kg，农业产值4.86亿元，农民收入持续增加，随着灌区粮食的增产，富平、耀县已被省上列为商品粮基地。
　　5我国渠道防渗发展趋势
　　进二十年来，我国渠道防渗技术得到很高的重视，发展也相当快，从最初简单的土料防渗到最新高分子防渗材料的使用，我国在渠道防渗工程方面走出了一条符合我国国情、逐步走向高效的经济技术发展路线。由于受到我国目前经济实力的限制，科研经费投入有限，一些深层次的问题还没有得到很好的解决，特别是成套的防渗技术方案和防渗施工的机械化、自动化还没有实现，目前主要还是简单的靠人力，使用简单的防渗技术进行防渗处理，致使一些防渗工程耐久性差、易损坏、返修多。要进一步提高防渗水平，节约成本、提高水利用率，这些都是需要解决的问题。
　　5.1渠道防渗发展难点：
　　(1) 在我国北方地区冬季寒冷，渠道防渗工程存在相当严重的冻胀问题。我国目前采取的渠道防渗防冻胀措施大致可归纳为两种：一是进行土的置换或是强夯处理;二是在衬砌的结构上选择合理的衬砌结构和断面形式。为减少基土冻胀作用对渠道防渗工程的破坏, 标准冻深大于10cm的季节冻土地区衬砌渠道, 必须进行防冻胀设计：做好渠道沿线土质、地下水位、冻深的调查，因地制宜，不同的冻胀情况做好不同的处理方法，并选择有代表性的区段进行试验观测和计算。
　　(2) 特种土基渠道防渗技术。特种土基渠道,指渠床土是湿陷性黄土、盐渍土、软弱土、膨胀土、冻胀土的渠道。在这类渠道上修建防渗工程, 应先采取措施, 对渠床土进行处理, 然后再根据当地条件, 选用常用的防渗方法, 并注意设置排水设施。
　　(3) 施工机械化及施工工艺的改进。与发达国家机械化施工为主相比，我国目前仍然以人工施工为主，但也在逐步朝机械化方向发展。机械化施工能更加快速、高质量的完成渠道防渗施工，耐久性好、返修率低、水利用率高。
　　5.2发展和推广防渗工程新技术的对策
　　(1) 渠道防渗工程, 虽然形式简单, 但各项技术复杂, 应加强设计与施技术培训, 建立完善的工程设计审查和评议以及工程施工的监理和监测制度。
　　(2) 增加科研投入力度, 增加跨行业合作, 在工程材料、设计方法、施工技术和施工机械、等方面增加创新进行深化研究。
　　(3) 倡导就地材料的利用, 以降低工程造价，减少周围生态环境的扰动，保护和改善生态环境。
　　(4) 结合节水重点县建设, 选择几个具有代表性的的地区, 建立综合性高技术示范工程, 以促进渠道防渗工程技术的发展。
　　6结语
　　近几十年以来，我国在干支渠渠道防渗技术以及其在工程应用上取得一定进展，无论是衬砌结构方面还是在防渗材料的开发方面，以及施工新技术方面都取得了长足的进展。伴随着我国灌区节水任务的开展，干支渠渠道防渗工程技术必将被大规模地应用。因此，在我国渠道防渗节水在农业方面起着相当重要的作用。然而在渠道防渗的应用过程中必将会发现跟多新的需要去研究的问题，渠道防渗工程技术技术复杂性使其必须加强跨领域合作，加大科研投入以提高渠道防渗抗冻和耐久性为重点以提高施工速度和降低工程造价为目的加大渠道防渗工程技术的研究力度。
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