青山水輪泵站灌區渠道防滲技術應用與研究

李少平 趙春玲

（湖南省青山水輪泵站灌區管理局 臨澧縣 415208）

1 工程概況

青山水輪泵站灌區是亞太地區最大的水輪泵站提水灌溉工程，位于湖南省常德市西北部澧水中下游，設計流量15.1 m3/s，設計灌溉臨澧、石門、澧縣3.54萬 hm2（53.06萬畝）農田。灌區共有干渠4條，長132.2 km，其中總干25.65 km、設計流量15.1 m3/s；北干23.71 km，設計流量5 m3/s；中干 13.36 km，設計流量 4 m3/s；南干 69.54 km，設計流量10 m3/s。共有一級支渠52條，長186.4 km。斗渠312條，長1 248 km。青山水輪泵站工程建設，于1966年開工建沒，1972年主要工程基本建成。干、支、斗渠以漿砌石、預制混凝土板、混凝土砂漿防滲的梯形斷面為主。灌區自1972年提水受益，累計提水25億m3，歷史上最大實灌面積2.1萬hm2（31.5萬畝）。灌區農業生產條件的改善，大大促進了當地國民經濟發展。

2 存在問題

該工程始建于20世紀60年代末，屬“三邊”工程，先天不足，后天失調，泵站提水條件差，渠道滲漏嚴重，工程設施老化等問題，實際灌溉面積僅為1.544萬hm2（23.16萬畝），至今仍未達到設計效益。

（1）渠道滲漏嚴重。

受當時工程技術和經濟條件所限，干渠只有總干和南干采用漿砌石加固76 km；采用干砌石加固護砌的渠段，由于大部分靠群眾運動完成，施工質量差，經多年運行后近30%的干砌石已被沖毀，勾縫材料脫落，基本上失去防滲功能，水量滲漏嚴重，且糙率大；未護砌渠段，經過紅壤土、白泥區，渠道水利用系數僅0.40。

（2）渠系建筑物老化破損。

干渠渡槽普遍存在露筋、混凝土脫落、槽身裂縫等病險問題。干渠渠下涵大部分為三合土砌石，有的涵管破裂造成渠道滲漏、塌方失事；有的管徑太小，難以通過山洪，造成渠堤跨坡，加之渠道糙率大，導致渠道嚴重淤積，厚度達（5～6）m，渠系水利用系數僅為 0.38。

3 渠道防滲標準及規劃

青山水輪泵站灌區工程地質條件主要為亞粘土、白泥網狀土、風化泥質頁巖地基，粘壤土土層內含大量風化石，土料滲漏系數大，加上渠道險工隱患多，多次出現渠道塌方決口、山體滑坡等險情，應全面進行渠道防滲改造。

渠道防滲節水改造的總體規劃是遵循 “優先關鍵性工程、骨干工程，區別輕重緩急，注重效益優先”的原則，首選急需改造且效益明顯的項目，具體就是：先除險，后加固；先總干，后分干；以防滲、除險為重點，以節水、增效為中心，突出科學管理。其中渠道防滲規劃首先在加快干渠續建配套的同時，對渠道險工險段進行整體改造；其次對干渠仍維持原梯形斷面，以現澆混凝土防滲體為主，最后配套支渠。

4 渠道防滲結構形式

4.1 干 渠

青山泵站灌區共有干渠4條，長132.2 km，干渠防滲斷面結構主要為梯形。因原來大部分系干砌石、漿砌石，現改造成混凝土渠，需作水力要素復核計算。復核辦法是重新設計斷面，渠底高程，渠道縱坡不變，按明渠流量公式計算：

式中Q——流量（m3/s）；

ω——過水斷面的面積（m2），ω=（b+mh0）h0；

m——邊坡系數，按原設計不變動；

C——謝才系數，C=R1/6；

n——糙率，取n=0.017；

i——渠道縱坡，i=1/10 000。

現以已完成防滲改造成的總干渠0+150-2+961、18+150-22+734渠段和中干渠0+000-9+000和9+000-13+600渠段為例說明。

（1） 總干渠 0+150-2+961、18+150-22+734渠段。

該渠兩渠段長 7 395 m，設計流量（15.10～15.00）m3/s，原采用30 cm厚干砌塊石勾縫，在多年的運行中因勾縫材料被沖刷，脫落，渠堤垮坡、穿孔嚴重，滲漏厲害，實際灌溉流量不足設計流量40%。節水改造混凝土三面防滲設計復核辦法是重新設計斷面，渠底高程，渠道縱坡不變，按明渠流量公式計算，復核結果詳見表1。

（2） 中干渠 0+000-9+000、9+000-13+600渠段。

該渠0+000-9+000、9+000-13+600兩渠段長13 600 m，，設計流量（4～2）m3/s，原為土渠，渠堤垮坡、穿孔嚴重，滲漏厲害，實際灌溉流量不足設計流量20%。節水改造混凝土三面防滲設計復核辦法是重新設計斷面，渠底高程，渠道縱坡不變，按明渠流量公式計算，復核結果詳見表2。

表1 總干渠梯形斷面混凝土襯砌后水力要素復核成果表

表2 中干渠梯形斷面混凝土襯砌后水力要素復核成果表

從表1、表2可以看出按8 cm進行三面混凝土防滲后，渠道過水深降低，過水流量增加，流速增大，將大大降低渠道淤積量和輸水時間，即可行又經濟。

4.2 支 渠

青山泵站灌區共有一級支渠52條,長186.4 km。支渠改造和續建主要采用“U”形斷面。因支渠大部分渠基土屬粘壤土土渠，防滲標準要求較高，因此其材料以混凝土為主。渠道襯砌目地除防滲外，還應降低糙率，加大流速，滿足輸水挾泥能力。渠道輸水能力根據明渠均勻流公式計算：

式中Q——流量（m3/s）；

ω——過水斷面的面積（m2）；

C——謝才系數，C=R1/6；

N——糙率；

i——渠道縱坡。

從以上公式可以看出，過水斷面面積愈小愈經濟，獲得流速愈大輸水能力愈高，而流速與縱坡、糙率、濕周有關，因此渠道防滲設計時，必須合理確定渠道斷面結構形式，求得濕周最小時最佳經濟斷面，選擇防滲材料糙率低，并充分利用地形條件，加大渠道縱坡，從而提高輸水挾泥能力。青山灌區支渠渠道防滲技術逐步提高，原為土渠，現主要采用現澆混凝土“U”形斷面；近幾年又使用下鋪一布一膜土工布的現澆混凝土“U”形斷面。

現已建成的七張支渠、八一支渠為例說明。

（1）七張支渠。

該渠控制灌溉面積0.23萬hm2（3.5萬畝），渠長14.6 km，灌溉設計流量1.2 m3/s，其中支渠末端有666.67萬hm2（1萬畝）面積為鹽堿地，土地肥力差，種植作物收入很秒，斗農渠均沒有開通，則近期需要灌溉流量僅為0.86 m3/s。該渠道原為土渠基礎，縱坡緩，梯形斷面偏大，目前滲漏和淤積嚴重，特別是渠首2.3 km段的實際輸水流量0.05 m3/s，該渠基本不能正常灌溉。改造時，根據實際地形減少跌水或降低跌差，加大渠道縱坡，并利用總干渠內深，將渠首抬高0.8 m，縱坡調整為1/1 000。渠道“U”形斷面優化比較詳見表 3。

表3 七張支渠“U”形斷面優化比較表

從表3可以看出按濕周最小選擇最佳水力斷面時，半徑R應取0.8 m，按每米混凝土體積選時，半徑R應取0.5 m，但考慮到近期過水流量和工程投資時，半徑R應取0.6 m、渠深1 m。

（2）八一支渠。

該渠位于青山灌區結瓜水庫—同歡水庫的一級渠道，為續建渠道，渠長3 km，灌溉面積0.07萬hm2（1.05萬畝），設計流量0.36 m3/s，其中種植稻谷占到80%，則實際經常灌溉流量為設計流量90%。首先優化渠道縱坡，由于地形較緩，地面坡降為1/3 000，結瓜水庫水位為經濟水位時渠道水深為1.6 m，則支渠渠首高程在干渠渠底基礎上抬高l m時仍能滿足引水，即可將渠道縱坡調為1/1 500。其次優化渠道“U”形斷面，比較詳見表4。

表4 八一支渠“U”形斷面優化比較表

從表4可以看出按濕周最小選擇最佳水力斷面時，半徑R應取0.6 m，但考慮到經常過水流量和最小過水流量情況及挾泥能力時，半徑R應取0.5 m更合適。

總之，支渠改造和續建配套時，宜選用混凝土“U”形斷面，充分利用地形條件，其縱坡一般不小于1/1 000，最緩不小于1/1 500，輸水挾泥能力才能滿足要求。從實施的情況看，采用混凝土“U”形斷面改造支渠具有輸水快、省地、省水、省工、節水、節能等優點，是小型支渠節水配套的發展方向。

5 渠道防滲施工

5.1 渠道土基施工

渠道土基是混凝土防滲體的基礎，其密實程度直接關系到渠道的穩定性和防滲效果。施工中必須嚴格碾壓夯實，使其密度達到設計標準。首先，渠道測量放線時，要嚴格控制高程，其次進行渠道土基施工。土基施工分為挖方和填方。對于挖方渠道，僅在原狀土體上開挖的土模并不一定能滿足要求，必須予以夯打或碾壓。小斷面渠開挖至渠頂后，采用振動碾碾壓，影響深度大于渠深，然后開挖，并嚴防超挖；大斷面渠開蹬分層開挖后，再夯實，影響深度大于渠基，然后開挖。對于填方渠道，小斷面渠全斷面分層回填，再按要求開挖；大斷面填方渠道為節省填土方量，底部整體分層夯實到渠底以上20 cm后，再分兩邊渠堤分層夯實，夯實采用機械碾壓。舊梯形渠道改造時，首先嚴格清基，對淤泥土、腐殖土、混凝土預制板等雜物必須清理干凈，渠底采用打夯機夯打回填夯實土，斜坡采用開蹬分層幫坡，機械夯打，最后再開挖削坡。開挖削坡必須分兩道工序：

（1）粗削，每20 m挖一個斷面槽，對坡面土方進行粗削。

（2）精削，在粗削的基礎上，每10 m挖一個斷面槽，拉平線，推橫線，走斜線削出基面，使底弧面、邊坡均符合規范要求，達到混凝土澆筑的要求。削坡要求每100 m為一個分項驗收段，經檢查合格后，才能進行下道工序工作。

5.2 渠道混凝土防滲層的施工

渠道現澆混凝土防滲層施工技術方法主要有三種：

（1）“U”形機施工。

目前青山灌區金星機械廠生產的專用現澆混凝土機襯砌“U”形渠道規格有 D30—D200，輸水流量達 （0.02～6.5）m3/s， 可以滿足支架以下所有“U”形渠的機械化施工，具有結構簡單，易于操作，施工速度快，混凝土質量高等優點。對于斗、農渠斷面較小的，分布較廣，可采用預制廠機械預制，現場安裝，以增加施工速度。

（2）現澆混凝土滑模澆筑。

青山灌區干渠均為現澆混凝土梯形斷面，使用現澆混凝土滑模技術，采用間隔跳倉法施工，渠底采用立側板，混凝土人倉，平板振搗器振搗；渠坡混凝土采用半機械法澆筑，每倉設邊模，用一個較重的鋼制滑動板（自重不少于210 kg），鋼制滑動板的滑行采用兩速手搖卷揚機帶動10 cm的鋼絲繩進行上滑牽引，在滑架上用插入式振搗器在滑板前振搗，隨鋪隨振，具有操作簡單、施工快，質量高等特點。

5.3 混凝土渠道防滲施工應注意的幾個問題

渠道混凝土防滲層屬薄殼混凝土，除了使用新的施工技術、注重土模開挖質量外必須控制好以下幾個方面：

（1）混凝土配合比。

合理選用原材料，并通過試驗確定強度、抗滲標號均滿足設計要求混凝土配合比，并滿足施工要求的和易性。

（2）及時切縫和收面。

“U”形機現澆的混凝土渠是連續的，要求必須振出原漿，應及時據設計要求切縫和收面。為了確保渠道表面光滑減少糙率，混凝土振搗完后及時用木模子將原漿打平，再用鐵模子收光，渠下部分含水量較大，可摻加少量水泥與原漿同時收光，上部原漿的含水量少，可用少量1∶1.5水泥砂漿與原漿同時收光，保證面層與混凝土防滲體緊密結合，使其表面光、平、實、展，整齊美觀。

（3）伸縮縫填塞。

青山灌區對接縫處理工作和止水材料的選用非常重視，目前大斷面渠道采用復合防滲結構形式，混凝土板下全鋪或縫下局部鋪設一布一模土工布，橫縫內填性能較好的聚氯乙烯膠泥，無土工布時，在縫內還加塑料板止水帶，縱縫內為了施工方便一般使用瀝青油氈板。支渠的伸縮縫采用價格較低的新型止水材料——焦油塑料膠泥，其施工方便，造價低，止水效果較好，在灌區已得到了廣泛應用。混凝土防滲渠的伸縮縫填塞前，務必將伸縮縫清理干凈，填料必須達到設計要求，填充時注意使填料與縫壁、縫底充分粘結，并均勻地達到設計厚度，做到縫形整齊、尺寸合格、填充密實、表面平整。

（4）土工布的鋪設。

大斷面混凝土防滲渠，混凝土板下鋪設土工布，形成雙層防滲結構，減少滲漏。鋪設時按照土工布的幅寬，先鋪設第一序土工布，必須寬于混凝土的分塊尺寸且留出兩邊粘接尺寸（一般粘接法留邊l0 cm），鋪設前根據渠道的坡長提前裁剪。鋪設土工布時從渠道一邊向另一邊橫向鋪設，土工布要求有一定的松弛度，并緊貼渠基土模，鋪設速度應與混凝土澆筑速度相配合，避免土工布裸露時間過長遭日曬及人為的損壞。

6 渠道防滲節水效益

青山灌區是亞太地區最大的提水灌區，注重發展節水灌溉，使用和探索渠道防滲技術，其水平不斷提高。從1998年實施節水續建配套改造項目工程以來，累計維修改造干渠50 km，支渠40 km，配套灌溉面積3.33萬hm2（20萬畝），渠系水利用系數明顯提高，節水效益十分顯著，年減少滲漏量650萬m3，年減少清淤費用30萬元。從項目經濟效益來分析（計算期n=31年，建設期1年、生產期30年，社會貼現率12%），年度項目內部收益率均超過27%，遠大于IS=12%；經濟凈現值均超過1 000多萬元，遠大于零；益本比B/C=2.31，遠大于1，說明該項目工程經濟上是可行的，是一費省、效宏、見益快的工程。