灌区渠道防渗设计及措施文献综述

灌区渠道防渗设计及措施（新疆农业大学水利与土木工程学院新疆乌鲁木齐）摘要：随着灌区农业经济的不断发展，灌区作物种植面积的增加和结构的复杂化等，使灌区对水的需求量不断加大，部分渠段输水能力不足，渠道防渗体破坏严重，严重影响全灌区的农业发展。渠道防渗工程技术就是杜绝或减少由渠道渗入渠床而流失的水量的各种工程技术和方法。力求以最低的经费投入，长期保持将水源引水量尽可能多地，安全，快速输送到田间，达到高效益低投入的目的。渠道防渗是提高水的有效利用率的关键技术。本文论述了渠道防渗的重要性和作用；介绍了我国渠道防渗在防渗渠道断面形式，防渗层材料及结构，裂缝修补，特种土基渠道防渗，防冻胀设计和施工机械等方面，适合国情，成效显著的先进技术；并提出了存在的问题及其对策。关键词：渠道；防渗；防冻胀；处理措施前言：农业是我国的基础产业，具有突出的资源优势和巨大的开发潜力。灌区是农业的基础，因此，做好灌区水利工程建设对我国农业乃至经济的发展将起着举足轻重的作用，而渠道防渗改建是一项十分重要的节水措施，渠道防渗是实现节水灌溉，提高渠系水利用系数的主要措施之一。进入21世纪以后，我国进行了一大批以长距离供水渠道工程建设。在此期间，我国的渠道防渗技术有了较大的提高，结构型式，防渗材料以及施工方法都有了新的发展力求以最低的经费投入，长期保持将水源引水量尽可能多地，安全，快速输送到田间，达到高效益低投入的目的。正文：1概况我国是个水资源严重短缺的国家，人均占有量仅为世界平均水平的1/4,排名109位。我国可耕地面积约0.96亿hm2，其中有0.45亿hm2为无任何灌溉条件的干旱地，居住人口约占全国的43%，属最不发达的贫穷地区。西部12个省区的落后地区就包括在内［1］。还有，据统计全国有120座县级以上的城市存在缺水问题，农村人畜饮水也还有5000多万人因没有水源而常年吃水困难。可是另一方面我国农业灌溉用水的浪费现象却十分惊人。由于农田水利设施标准低，不配套，老化，灌溉方式落后和管理不善等原因， 全国农业灌溉水的有效利用率只有40%左右，仅为发达国家的一半；每m3水的粮食生产能力只有0.87kg左右，远低于2kg以上的世界平均水平。同时我国约有30%以上的工业废水和90%以上的生活污水未经处理排入了江河湖泊中，又加大了水的有效利用的困难。进入21世纪后随着经济的高速发展和人口的快速增长，以及城市化建设步伐的加快，缺水问题将会更加突出。专家预测，到到2030年我国总用水量将达到8000亿m3，农业用水比重将不得不从目前占总用水量的72%下降到25%，灌溉用水量也不得不从目前占农业用水量的90%下降到43%左右［1］。水资源是自然资源（自然资本）它与人类经济发展之间密切相关不仅是水，空气也是自然资源。我们如果不解决好水资源的短缺问题，将会严重制约国民经济的飞速发展。为此，应把自然资源的概念纳入经济，文化及社会体系中，以最少的资源实现最大的效益。其中千方百计的节约用水，营造21世纪的高效机械化节水型农业，是解决水资源短缺的根本出路。所谓“节水型”就是要采用水利，农业，管理等多种措施，最大限度的减少水的消耗而换得最大的农业效益。水利措施则包括水资源统一管理，调度和优化配置以及从水源到田间的输水过程中，要采取渠道防渗，低压管道输水，喷灌与微灌等先进技术方式来减少水的损失。在这些措施中渠道防渗是举足轻重的已达共识。我国历来就十分重视渠道防渗工程，几十年来在渠道防渗工程的建设和研究方面国家投入了巨资。并在材料，渠道断面形式，衬砌结构形式，冻胀机理和防冻措施及小型施工机械等方面都取得了许多可喜成果。在总结经验的基础上结合国情1991年编出了我国第一部技术法典《渠道防渗工程技术规范》和《渠系工程抗冻胀设计规范》，为我国渠道防渗工程的建设奠定了技术基础和法律依据。并进一步指导和促进了防渗工程的发展和其在节水型农业中所发挥的巨大作用［1］。进入21世纪后我国的经济建设必须依靠科技和体制创新才能保证可持续发展，最终实现第三步战略目标。为此在科技，生产力的发展和经济，文化等方面都要求提出更高的标准。在这种已有一定基础条件下及新观念不断转变的时期，作为节水型农业的重要部分渠道防渗工程的规划设计也应该有新的起点。十多年前制定的标准是根据当时的国情和要求编成的，经过多年的实践需要总结提高，新形势要求用创新的更高的标准来衡量，这是事物发展的必然规律［9］。2渠道防渗的重要性和作用目前我国水田和旱地的灌溉引水量3445亿m3,有效利用率只有40%，60%是无效损失。据统计渠系输水损失为1730亿m，左右，占渠首总引水量的50%，也就是说，输水损失占灌溉水总损失的80%以上［8］。目前全国已建渠道防渗工程55万多km，仅占渠道总长的18%，80%以上的渠道没有防渗，还是土渠，水的渗漏损失很大。实验资料表明，如果采用渠道防渗工程技术，渗漏损失可减少70%〜90%。显然，渠道防渗节水潜力很大，根据甘肃统计资料，节省或增加1m，田间水所需的费用，开源工程为4.4斗农渠防渗为1.2元〜1.5元，低压管道输水为1.4元〜1.6元，滴灌技术（采用国产设备）为2元〜3.5元［8］。可见在开源或节水工程技术中，渠道防渗具有十分明显的经济性。因此，在提高水的有效利用率的各项技术中，渠道防渗节水潜力大，经济，应是最优先考虑的关键技术。元〜8.7元，十支渠防渗为0.8元〜1.0元，斗农渠防渗为1.2元〜1.5元，低压管道输水为1.4元〜1.6元，滴灌技术（采用国产设备）为2元〜3.5元［8］。可见，在开源或节水工程技术中，渠道防渗具有十分明显的经济性。因此，在提高水的有效利用率的各项技术中，渠道防渗节水潜力大，经济，应是最优先考虑的关键技术。渠道防渗，一方面提高了水的利用率，可扩大灌溉面积，促进农业生产发展，从而使人造生态环境更加繁荣；另一方面降低了地下水位，使盐碱地和沼泽地得到改良，也就改善了生态环境。因此，渠道防渗有利于生态环境的良性发展。渠道防渗后，渠床糙率显著减小，渠中流速加大，输水能力明显提高，渠道断面和建筑物尺寸相对可以缩小。因而，减少了占地，节省了工程量和投资。此外，防渗后渠床稳定性加强，有利于渠道的安全运行和减少维修工作量。渠道防渗，效益显著，群众喜爱，适合国情，所以，在诸多节水灌溉技术中，起步最早，应用比重最大。进一步发展和推广渠道防渗工程技术，对我国农业增长和国民经济持续发展具有重要意义。3渠道防渗形式分析渠道防渗按断面形式可分为矩形渠道，梯形渠道,U型渠道和复合渠道等；按防渗材料可分为浆砌石渠道（水泥砂浆或白灰砂浆），浆砌石加贴面混凝土渠道，浆砌石与防渗膜料组合渠道，现浇混凝土渠道，现浇混凝土或预制混凝土板下铺防渗膜料渠道，预制混凝土板加保温材料（聚苯板或珍珠岩）渠道等。近年来，渠道防渗应用较多的是梯形断面预制混凝土板或现浇混凝土板下铺防渗膜料和现浇混凝土U型断面等技术，特别是混凝土U型渠防渗技术的应用和梯形断面混凝土板现浇技术的出现，使渠道防渗技术得到了进一步的提高和发展［5］。3.1浆砌石渠浆砌石渠在二十世纪六七十年代及八十年代前期应用较多，在建筑材料较为紧张时，有些渠道也采用了白灰砂浆砌筑的形式。进入80年代后期，防渗标准不断提高，但浆砌石本身防渗性能较低，其独立防渗的形式已不能够满足要求，因此在技术上作了一些改进，主要措施是矩形断面渠道在水泥砂浆砌筑石料的基础上外贴混凝土面或内铺防渗膜料，梯形断面渠道在浆砌石下面铺设防渗膜料。这种形式的防渗虽然充分利用了浆砌石，防渗膜料和混凝土贴面各自的特点，提高了整体防渗能力，但在实际施工和运用中也发现了一些问题，需特别注意：1）浆砌石与防渗膜料结合面的施工不易控制，防渗膜料容易被石料刺破，影响防渗效果；2）矩形断面渠道浆砌石外贴混凝土面的防渗形式，由于其边墙断面较大，边墙对基础的压力比渠道底板大很多，容易引起土质基础的横向不均匀沉降，把底板拉裂或使侧墙倾斜，因此这种防渗形式在土质渠道特别是填方土质渠道应用时要特别注意不均匀变形引起的不良后果。现在已不采用这种防渗形式［4］。3.2混凝土渠混凝土渠主要为矩形断面混凝土渠，梯形断面预制混凝土板或现浇混凝土板下铺防渗膜料渠和现浇混凝土U型渠。矩形断面混凝土渠道由于造价较高很少采用，只是在有些地方作过试验渠段。混凝土U型渠在水力的效果，具有过水流量大，挟砂能力高，整体性强，抗冻裂性好，施工速度快，投资少等优点，因而混凝土U型渠防渗技术是渠道防渗的一项重大改进措施，其推广和发展加快了渠道防渗建设速度。目前这项技术仍在不断完善中，存在的不足主要是混凝土施工振捣密实度较难控制，原浆收面技术难度大，大多数只能采取后序抹面的办法。后序抹面与混凝土的结合掌握不好就会成为渠道的薄弱面， 影响其使用寿命。混凝土U型渠防渗技术在较大渠道上的应用还没有取得成功的经验，一般U型断面的直径不宜超过1.2m［2］。要素和结构受力方面都能取得较好。4渠道防渗工程的设计标准问题我国目前渠道设计标准普遍偏低，许多工程按设定的标准设计，工程的实际寿命只有4〜5年，但是由于投资的问题或建设单位，设计单位的原因，仍然按低标准进行设计，致使工程质量不高。另外，我省渠道防渗工程的施工质量也亟待提高。渠道设计标准与国家的经济实力密切相关。在发达国家，渠道设计标准普遍偏高，如日本在渠道设计中绝大部分采用钢筋混凝土矩形渠槽，有的渠道还在矩形渠槽上加设盖板或横撑，这种刚性结构在寒冷地区还采用基础换填的方式来直接改善渠道基土性质。这样，渠道的使用寿命普遍很长，渠道破坏的事故也较少发生。过去，由于我国经济力量的限制，不能有太多的资金进行工程建设，因此对于渠道防渗工程一直要求较低，致使渠道防渗工程使用寿命较短［11］。5渠道防渗措施渠道防渗措施包括管理措施和工程措施两方面。渠道防渗的管理措施主要是加强灌溉管理，实行计划用水，合理调配水量，组织安排轮灌；改建，改善不合理的渠系布置，使各级渠道及建筑物配套齐全，搞好田间工程配套；加强渠道和建筑物的养护，维修等；渠道防渗工程措施的种类很多，常见的有以下几种：土料压实防渗，土料护面防渗，砌石防渗，砖砌防渗，混凝土衬砌防渗，膜料防渗，沥青材料防渗，复合式衬砌防渗［6］。土料压实防渗土料压实防渗就是在渠床表面建立一层压实的土料防渗层。当前生产上采用的土料压实防渗方法主要有压实渠床土壤以减少渗漏，利用粘土，沙粘土建立压实的防渗层等，其防渗效果良好，可就地取材，造价低廉，施工简单。据试验，经过压实的渠道，一般可减少渗漏量1/3〜2/3［5］，土料压实层越厚，压的越紧，防渗效果越显著。但它的允许流速小，抗冻性和耐久性差，所需劳力多，故土料压实防渗适用于气候温和，地区流速小的中，小型渠道。随着渠道防渗工程技术的发展及各种防渗新材料和新技术的应用，传统土料防渗措施的应用正在逐年减少。土料护面防渗三合土是由石灰，沙和粘土拌和而成；四合土是在三合土的基础上掺卵石或碎石25%〜35%拌和而成；灰土是由石灰，黄土或粘土混合而成；水泥土为土料，水泥和水拌和而成的材料。这些土料均可用来做防渗材料，铺筑在渠床的表面。其中水泥土主要靠水泥与土料的胶结与硬化，故水泥土硬化后的强度类似混凝土，它分为十硬性水泥土和塑性水泥土2种。水泥土防渗的主要优点有：料源丰富，可以就地取材；防渗效果好，水泥土防渗较土料压实防渗效果好，一般可减少渗漏量80%〜90%；技术简单，容易掌握［2］；投资少，造价低；可用拌和机，碾压机等施工设备施工，能充分发挥现有设备的作用。但因水泥土早期强度低，抗冻性差，阻碍了它的大面积推广。5.3砌石防渗渠道用石料衬砌，是就地取材和防冲，防渗的好方法。按结构形式分为护面式，挡土墙式2种；按材料及砌筑方法分为干砌卵石，干砌块石，浆砌块石，浆砌料石，浆砌石板，浆砌卵石等。砌石防渗的优点是：在沿山渠道和石料丰富的地区可就地取材；抗冲击流速大，耐磨能力强，使用年限长；墙体厚，保温好，可减少大部分的冻胀量，且强度高，自身稳定足够抵抗剩余冻胀；具有一定的防渗效果；具有较强的稳定渠道的作用。砌石渠道优点明显，是我国采用最早，应用较广泛的一种渠道防渗措施。但砌石防渗不宜采用机械化施工，施工质量较难控制；衬砌断面大，砌筑工作量大，材料使用多，对砌筑技术的要求较高。5.4砖砌防渗砖砌护面是一种因地制宜，就地取材的防渗衬砌措施，其优点是：造价低，取材方便，施工技术简单，防渗效果较好，多用于小型渠道的衬砌。但抗冻性差，在北方地区不宜采用。5.5混凝土衬砌防渗混凝土衬砌防渗就是用混凝土衬砌渠道，减少或防止渗漏损失。它是目前广泛采用的一种渠道衬砌措施。其优点是：防渗，抗冲效果好，一般能减少渗漏损失90%〜95%［7］；糙率小，可减少沿程水头损失，允许流速大，一般为3〜5m/s［7］；强度高，便于管理，能防止动物，植物的穿透和其他外力的破坏；适应性广，具有良好的模塑性，可根据设计要求制成各种形式和不同大小的结构形式。缺点是：适应变形的能力差；在缺乏砂石料的地区，造价较高。混凝土衬砌的施工方法有现场浇筑和预制铺砌2种。现场浇筑的优点是衬砌接缝少，造价较低。预制铺砌则受气候条件影响较小，可缩短衬砌工期，如果在老渠道上施工，还能减少施工与引水的矛盾，而且局部破坏易于修补，但其运输安装较麻烦，并容易损坏，而且板缝多，灌浆勾缝处理不好会造成严重的渗漏，容易造成冻胀破坏和塌坡滑板，使用寿命短。近年来，随着科学技术的发展，喷混凝土技术也被应用于渠道防渗，它可以使渠系水利用系数提高到0.90。如建于1958年的河北省井陉县人民灌区的2条干渠工程质量先天不足，渠道渗漏严重，灌区渠系水利用系数只有0.473。从1998年渠道喷混凝土防渗试验来看，渠道糙率为0.014〜0.017,每公里水的渗漏损耗量为0.05%。工程局部出现冻胀裂缝，但是渠道喷混凝土防渗仍然是一种省工，省料，造价低，易操作，速度快的防渗措施，它多用于基础为岩石的渠道［3］。5.6膜料防渗用不透水的土工织物来减少或防止渠道渗漏损失的技术措施。其适应变形的能力强。土工膜具有良好的柔性，延伸性和较强的抗拉能力，不仅适用于各种不同形状的渠道断面，而且还可用于有可能发生沉陷和位移的渠道。膜料质轻，用量少，造价低，每平方米塑膜防渗的造价为混凝土防渗的1/15〜1/10。施工主要是填挖土方，铺膜和膜料接缝，技术简单，大大缩短了工期；耐腐蚀性强，土工膜不受酸，碱和土壤微生物的侵蚀。实践证明，该防渗形式防渗性能好，防渗效果能达到0.04〜0.08m3/(m2/d)，一般可减少渗漏损失90%〜95%，而且抗冻性能好［2］。存在的问题是保护层用的粘土量较多，占地大，允许流速小。5.7沥青材料防渗沥青材料护面具有防渗，耐久，抗碱，造价低，施工简便等优点。常用的沥青材料护面有沥青混凝土，沥青席和埋藏式沥青薄膜。沥青混凝土是以沥青为胶结剂，与矿粉，矿粉骨料(碎石或砾石和砂)经过加热，拌和，压实而成的防渗材料，它分有整平胶结层和无整平胶结层2种形式。无整平胶结层的结构多用于土质地基，有整平胶结层的结构多用于岩石地基。此外，为提高防渗效果，防止老化，延长使用年限，在防渗层表面涂刷沥青玛蹄脂封闭层。沥青混凝土防渗效果好，可以减少渗漏90%〜95%；有适当的柔性和粘附性，有一定的自我愈合能力；能适应较大的变形，抗冻能力强；易修补。沥青混凝土因沥青料源不足，施工工艺要求严格，存在穿透土工织物的问题等，使其推广应用受到限制。5.8复合式衬砌防渗复合式衬砌防渗是采用柔性膜料作为防渗层，起到防渗作用。在膜料防渗层上，再用混凝土板等刚性材料作保护层。柔性膜料具有完整性和连续性，可适应冻胀土的不均匀变形，防止了渠道衬砌冻胀破坏和混凝土板的错位。但边坡易塌落，膜料易被穿透，破坏了防渗层。若单独采用刚性材料防渗，冻胀易使混凝土板块产生不可恢复的错位及裂缝。在柔性防渗层上的研究表明，以衬砌现浇混凝土板，预制混凝土板，浆砌石或干砌石等刚性材料作防护支撑体，可保护防渗层，提高边坡稳定能力，使柔性材料不被破坏，防止老化并延长使用寿命。结论：随着科学技术和国民经济的不断发展，对渠道防渗技术提出了更高的要求目前，我国渠道防渗由单一防渗向复合防渗发展，以人工施工为主向半机制，机械化施工方向发展。特别是在高寒地区，对高分子材料的研究应用使得复合式衬砌防渗在渠道防渗处理中的优势明显。灌溉渠道防渗工程选择原则：渠道防渗工程措施的种类很多，要选择适宜的工程技术遵循的主要原则是防渗效果好，有一定耐久性；因地制宜，就地取材，施工简单，造价低廉；能提高渠道的输水能力及抗冲能力，减少渠道断面尺寸；便于管理，养护，维修费用低。我国是个水资源严重短缺的国家，进入21世纪