阿克蘇地區渠道防滲結構型式探究

張學榮

阿克蘇地區是自治區的農業大區，地方灌區現有農業灌溉總面積70.2×104hm2，占自治區總灌溉面積393.33 ×104hm2［2］的17.85%。由于地區可利用的水資源有限，隨著農業結構的調整，農業灌溉供需水矛盾日益突出，據統計地區每年缺水達到5～7×108m3左右。大搞農田水利基本建設，進行灌溉渠道防滲改建和農業高效節水，已是當前緩解春秋季節旱情，以節水求發展的主要水利工程措施。根據近些年在阿克蘇地區已實施的渠道防滲改建工程建設及運行情況，現對地區防滲渠道橫斷面型式及其結構型式的選擇進行探討，為今后在阿克蘇地區范圍內進行防滲渠道橫斷面設計選擇提供參考。

1 阿克蘇地區概況

阿克蘇地區位于天山南麓中段，塔里木盆地北緣。地處東經 77°30'～84°07＇，北緯 39°30＇～42°10＇之間。國土總面積13.25 ×104km2，其中:山地3.87×104km2，平原 5.22 ×104km2，沙漠 4.04 ×104km2。地區境內西北高東南低，海拔由山區7435.29 m到平原881.0 m，主要地貌類型有天山山地、山間盆地、天山南麓山前傾斜平原、河流沖洪積平原及沙漠。

阿克蘇地區屬典型的大陸型暖溫帶干旱氣候，光照充足，熱量豐富，降水量少，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差大，無霜期長。年平均氣溫為8.8～12.4℃，一月份平均氣溫為－5.6℃，七月份平均氣溫為25℃，歷年最大凍土深度0.62～1.03 m(拜城縣最大為1.03 m，下游平原灌區阿瓦提縣、沙雅縣最小為 0.62 m)。最大年降水量為43.9～150.1 mm，年均蒸發量為 1 227.8 mm，山區蒸發量隨海拔增高而減少。主要災害性氣候有春寒，春旱，干旱，沙塵暴，大風，冰雹，干熱風，洪災，暴雨，霜凍等。地區轄八縣一市，新疆生產建設兵團農一師16個團場分布在地區境內，全地區總人口近225×104人。灌區灌溉水源主要來自塔里木河、阿克蘇河、渭干河三大水系，大小河流16條，全地區平均年實際可利用的地表水資源為72.2×108m3(不含農一師)。

2 阿克蘇地區現有渠道的基本情況

截止2009年底，阿克蘇地區有干、支、斗、農灌溉渠道總長32 418.29 km，防滲渠道總長9 636.77 km。其中:干渠防滲后渠道水利用系數由0.8提高到0.95;支渠防滲后渠道水利用系數由0.8提高到0.94;斗渠防滲后渠道水利用系數由0.8提高到0.92;農渠防滲后渠道水利用系數由0.88提高到0.92［3］。渠系水利用系數達 0.45。通過堅持不懈地開展渠道防滲工程建設，渠系水利用系數明顯提高，灌區渠道輸水速度明顯加快，灌水周期由過去的20天縮短到7～10天，農作物得到適時適量灌溉，水分利用率有效提高，農作物毛灌溉定額明顯下降。

目前在地區采用的渠道防滲斷面型式有2種類型:梯形和“U”型渠道。渠道防滲橫斷面結構型式有6種類型:砼+塑膜雙防結構型式、砼單防結構型式、塑膜單防結構型式、漿砌石+塑膜雙防結構型式、漿砌石單防結構型式、干砌石灌漿防滲結構型式。常用的有砼+塑膜雙防結構型式、砼單防結構型式。同時在渠道防滲工程結構設計中要解決好滲漏、凍脹、揚壓力、沖刷、磨損、淤積、冰凌、鹽脹、腐蝕、防洪、風蝕等問題［3］。

3 各類橫斷面結構型式的特點

根據渠道的設計流量、流速、渠道沿線的地層巖性、地下水位、施工條件、投資等綜合因素確定渠道的橫斷面結構型式。

3.1 砼+塑膜雙防結構型式

一般用在流量大于1 m3/s的干、支渠上，渠道斷面結構型式為:橫斷面設計為梯形，邊坡采用6 cm厚C20預制砼六棱板、2 cm M5或M10砂漿找平層，渠底8 cm厚C20現澆砼板襯砌防沖;全段面下設0.3或0.5 mm塑膜防滲、砂礫石(根據當地的抗凍材料也可選用風積砂或苯板)防凍體抗凍。封頂板為8×30 cm C15現澆砼板。渠底現澆砼板結構縫采用4 mm改性油氈填縫;邊坡預制板結構縫采用C20細粒砼填縫，縫寬2 cm;渠道每7 m左右設一道伸縮縫，縫寬2 cm，采用聚氨酯砂漿加苯板填縫。

流速在2 m/s以上的渠道，采用全斷面現澆砼板護面。在大中型渠道橫斷面設計中還可采用弧形坡腳梯形斷面結構型式，使渠道的水力條件、抗凍脹能力更優越。阿克蘇地區已實施的塔河項目大部分采用的是這種結構，已實施的工程其運行情況良好。

3.2 砼單防結構型式

一般用在流量小于1 m3/s的支、斗渠上，渠道斷面結構型式為:橫斷面設計為梯形或U型(根據斷面尺寸大小，一般流量在0.5～1.0 m3/s的用梯形;0.5 m3/s的以下渠道采用U型，U型渠道有占地少的特點)。斷面結構除不設防滲膜外，其它均與砼+塑膜雙防結構型式相同。

U 型渠道采用4.5 ～5.5cm 厚 C20“U”型預制砼板護砌防沖、砂礫石(根據當地的抗凍材料也可選用風積砂)抗凍的結構形式。預制板結構縫采用C20細粒砼填縫，渠道每6 m左右設一道伸縮縫，縫寬2 cm，采用聚氨脂砂漿填縫。封頂板采用C15現澆砼(8×30 cm)。

根據近幾年阿克蘇地區已建塔河項目工程運行狀況，采用風積沙作為防凍體的渠道，在砼板下最好設一層防滲塑膜，防止由于砼板分縫處理不好，水流掏刷砼板下風積沙，造成渠道邊坡垮塌破壞現象。

3.3 塑膜單防結構型式

一般渠道縱坡在1/3000以上的、砂石料較缺乏、建設資金短缺的下游灌區較緩渠道上使用，渠道斷面結構型式為:橫斷面設計為梯形，膜上鋪設40～50 cm的土層保護。根據近幾年在沙雅縣塔河灌區實施的塑膜單防結構型式的渠道工程運行情況，該防滲型式在工程運行中，初期防滲效果較好，但由于水流流速慢，渠道易滋生雜草或受凍融破壞、淤積，渠道清淤時易造成防滲膜破壞，失去防滲作用，建議在資金較充足的情況下盡量不選擇此種防滲的結構型式。

3.4 砌石+塑膜雙防結構型式

一般在上游灌區采用砌石+塑膜雙防結構型式，是為了充分利用當地的建筑材料，同時也為加大渠道糙率降低流速而采用的一種渠道設計的結構型式，橫斷面設計為梯形，全斷面為20～30 cm厚C20砼漿砌卵石襯砌，下設0.5 mm塑膜加砂礫石防凍體的結構型式。封頂板采用8×30 cm C20砼。10 m設一道沉降縫，縫寬2 cm，采用聚氨脂砂漿填縫。比如塔河項目中紅旗坡農場和實驗林場柯柯牙爾干渠上段橫斷面采用的漿砌石+塑膜雙防結構型式。

3.5 漿砌石單防結構型式

其斷面結構型式除不設防滲膜外，其它均與漿砌石+塑膜雙防結構型式基本相同，如拜城縣木扎提河大型灌區項目大宛其干渠，從2001～2007年完成了22.15 km漿砌石單防結構型式渠道，目前工程運行情況良好。

3.6 干砌石灌漿防滲結構型式

在溫宿縣、拜城縣、烏什縣、庫車縣、柯坪縣部分干渠上使用過，主要用在流速較大的渠道上，以增加渠道糙率降低流速，施工上要求石頭要大頭下、小頭上、砌成三角縫，踢不掉、拔不出，要求灌漿用鋼釬震實，由于施工質量要求較高，目前大部分施工單位人員對干砌石灌漿施工工藝不熟悉，施工單位人員素質達不到要求，所以目前采用的較少。

4 渠道防滲中抗凍脹厚度的計算及材料的選擇

阿克蘇地區為寒冷地區(拜城縣為嚴寒地區)，渠道防滲工程設計中，最關鍵的環節是抗凍脹設計，防止渠道及建筑物在冰、凍融和凍脹作用下遭受破壞，影響渠道的運行安全［4］。

4.1 抗凍脹厚度的計算

1、設計凍深計算

依據《渠系工程抗凍脹設計規范》SL23－2006，渠系工程設計凍深按下式計算［5］:Zd=Ψd×Ψw×Zm

式中:Zd——渠系工程的設計凍深(cm);

Zm——歷年最大凍深(cm);

Ψd——考慮日照及遮蔭程度的修正系數;

Ψw——地下水影響系數。

①其中Ψd根據工程地點所在緯度及建筑物走向，按公式計算:Ψd=α+(1－α)×Ψi

其中Ψi依據規范查圖取值，α可根據工程所在的氣候區依據規范查圖取值

②地下水凍深影響系數Ψw按下式計算取值:

依據不同的凍前地下水位深度，結合渠床土質，確定Ψw值:

式中:

ZW0——鄰近氣象臺的凍前地下水水位埋深值(m);

ZWi——計算點凍前地下水位深度(m);β——系數，依據規范結合渠床土質取值。

③依據上述原則確定的Ψd值和Ψw值，根據歷年最大凍深值Zm，計算不同地下水位埋深設計凍深值。要分別計算渠道陰陽坡和底板的設計凍深，為渠道在不同部位的防凍墊層換填厚度設計提供依據。

2 基土凍脹量計算及土的凍脹性級別確定［5］:

基土凍脹量計算按下式:hf—基土凍脹量，mm;

h—工程地點天然凍土層產生的凍脹量，mm;

Zf—基礎下的設計凍深，m;

Zd—設計凍深，m;

δC—基礎板厚度，m;

δw—底板之上冰層厚度，m。

根據不同的地下水位、邊坡系數、渠道走向，計算出渠道凍脹量值，再根據渠道沿線地下水位埋深，計算出工程地基土凍脹量，依據《渠系工程抗凍脹設計規范》第3.3.2規定，判定工程基土的凍脹性級別。根據規范，當渠道斷面為梯形時，砼襯砌結構允許法向位移值為5～10 mm，漿砌石襯砌結構允許法向位移值為10～30mm，如果項目區渠道襯砌結構的凍脹位移值大于允許法向位移值，必需采取抗凍脹措施。

4.2 抗凍脹材料的選擇

抗凍脹材料盡量選擇當地的砂礫石和風積沙材料作為渠道的抗凍換填材料，且在挖方渠道或半填半挖渠道，為避免渠道兩側灌溉對渠道邊坡產生側滲，使渠道邊坡板整體遭受頂托破壞，必須采用砂礫石和風積沙作抗凍材料，以確保渠道運行安全;對填方渠道根據投資比較，可優選苯板、砂礫石或風積沙。

5 渠道防滲工程結構設計中要注意的幾點問題

在渠道工程設計中，渠線選擇要充分結合灌區現狀，滿足灌區灌溉，并符合灌區發展規劃的要求，扎實做好渠道地勘和測量工作，并會同當地水利管理部門做好渠道沿線建筑物調查，為工程設計提供可靠的依據，避免工程實施中出現大的設計變更。渠道的橫斷面結構型式根據渠道沿線地層巖性、地下水埋深、地形縱坡、建筑物布置、建筑材料分布、施工條件、投資、工程抗凍脹及安全運行等因素，盡量使渠道總的工程量或工程費用合理，確保安全、經濟，以滿足防滲、防沖等各項性能，來進行渠道縱橫斷面設計的選擇［6］。

在防滲渠道橫斷面結構設計時應該考慮縱斷面設計，根據外業踏勘成果，結合測量、地質勘察成果，要注意解決保護渠道使用功能、保護渠道安全功能11個方面的問題:

5.1 防滲漏

主要針對地下水位在渠底以下大于0.5 m的透水渠床的渠道，渠道設計中一般都要采取防滲措施，防滲體選用塑膜或砼板，以防止渠道沿線水量滲漏損失，節約水量，可緩解春季缺水矛盾。要注意的是在建筑物陡坡后的一段渠道和靠近水庫的渠道不要采取防滲措施。

5.2 防淤積

主要針對流速小于0.5～0.6 m/s的渠道。在阿克蘇地區均是多泥沙河流，在灌區下游，渠道淤積很普遍。進行工程防滲改造設計時，一般要考慮在渠首設沉砂設施(沉沙條渠或箱式沉砂池)，以減少渠道淤積。同時在今后的管理上要嚴格執行設計要求進行沖沙、清淤。

5.3 防沖刷

渠床不沖流速在規范中已有明確規定，經過近些年阿克蘇地區實施的世行項目、日協項目、塔河項目，總結出:對全斷面砼防護的現澆板渠道，防沖流速不易超過3 m/s或3.5 m/s;對預制板防護的渠道，防沖流速不易超過2 m/s或2.5 m/s;對漿砌石渠道，防沖流速不易超過3.5m/s;對于棄料石防護的渠道，防沖流速不易超過1.5 m/s;對于土渠防沖流速不易超過0.8m/s，經過實踐證明，這樣控制的渠道運行狀況良好。

5.4 防冰凌

對于寒冷地區冬季發電運行或春季早春灌渠道，渠道流速不易小于1.5m/s，否則渠道易受流凌作用形成岸冰危害，影響渠道過流斷面，最后導致渠道被冰凌淤塞。

庫河東岸總干渠在當初設計時對流凌的問題認識不足，冬季運行過程中，沿程流凌結冰后形成冰塊，淤堵了渠道上約7座格柵消力池。7+100處節制分水閘后為塔尕克水電站引水發電的動力渠，全長約7 km。由于其渠道基本呈平行等高線布置，渠道流速小于1.5 m/s，導致2008年冬季運行時，渠道全線被流凌淤塞。

阿瓦提縣某干渠為了向下游電站輸水，在2000年冬季曾3次因流凌影響，淤塞渠道，導致垮渠。

對于流凌渠道很難處理，一般采取加大渠道流速或降低流速、冰蓋下運行的設計方法。

5.5 防凍脹

一是渠道設計時需注意地下水位施測時間是否在高水位期，設計時需要求地質專業提供地下水的動態變化，除渠道本身地下水，還要考慮臨近灌區地下水的補給影響。

在緊靠灌區、水庫、湖泊的非凍脹性土的地段，一定要設防凍體，因為此渠段的冬季地下水變化幅度較大，會導致防滲體凍脹破壞。地區紅旗坡農場和實驗林場柯克亞干渠在靠近灌區的非凍脹性土的渠段發生了凍脹破壞。

二是當地的防凍脹材料的質量、技術指標要嚴格按照《規范》要求選取，一旦有誤將對渠道的運行安全造成很大威脅。

三是渠道防凍層的厚度應根據陰陽坡，根據《規范》要求進行計算，區別設置。

四是挖方渠道的防凍體應盡量不用苯板，最好用砂礫石，防止由于兩側農田灌溉測滲，對苯板頂托造成渠道垮塌破壞，而填方渠道的防凍體則可以考慮選用苯板。

五是用當地材料風積砂做防凍體的梯形渠道，為防止由于運行中水流帶出砼預制板的細顆粒，導致渠道運行不安全，一般要在砼預制板下加一道塑膜。

5.6 防揚壓力

由于渠道外側水頭高于渠道底板，會造成渠道底板發生較大位移和砼板斷裂。設計時應注意地下水位應控制在渠道底板以下1.0m，否則，渠道底板應采取透水性設計。

在河道、水庫、湖泊附近選線應格外小心，因為勘察期的地下水埋深較大而未采取防滲措施，而在河道行洪水時地下水位又會大幅度提高，易造成渠道防滲體的揚壓力破壞。對于這種渠道應該在靠河道側挖設一條截排，給渠道減壓。截排必須通暢，能及時將滲水排走。

5.7 防鹽脹

鹽脹破壞是因渠床含有鹵鹽和硫酸鹽的土體而引起的，在含量超過300 mg時，土體會隨著溫度的升高而發生膨脹變形，從而直接導致砼板發生鹽脹破壞。為防止鹽脹破壞一般采取換填砂礫石或風積沙。例如，在塔里木河灌區沙雅縣帕滿水庫放水渠上為消除鹽脹，特在砼板下所設的苯板防凍體的下面換填了10～20 cm風積沙，目前沒有出現鹽脹破壞。

5.8 防洪

山前洪積扇的地段布設的渠道，常常爆發暴雨山洪危害渠道安全。在設計時要注意在靠近山洪一側設置防洪壩或導洪堤，通過設在渠道上的過洪建筑物將洪水疏導至下游，有條件的還可采取靠山洪一側的堤面防護措施。

5.9 防腐蝕

在渠床土體中SO42－含量大于250 mg時，土體的SO4

2－會對普通硅酸鹽水泥發生腐蝕破壞。為防止SO4

2－對普通硅酸鹽水泥腐蝕破壞，一般采用抗硫酸鹽水泥，或在普通硅酸鹽水泥中摻入一定數量的抗硫酸根離子的專業添加劑，使之具備抗腐蝕的能力。在阿克蘇地區的下游灌區的沙雅縣、阿瓦提縣及柯坪縣此類問題比較突出，需要采用防腐蝕措施。

5.1 0 防磨蝕

在上游灌區由于渠道流速高、推移質含量多而產生磨蝕破壞。設計中要減少推移質的入渠量或增加渠底的抗磨蝕能力，采取設置排沙設施處理;也可在渠道底部采用抗磨蝕的材料，如高標號砼砌大石、硅粉砼護底或橡膠輪胎護底等措施。

例如，庫車河總干渠維修前的渠底，原本30 cm厚的漿砌卵石渠底經過10余年運行，被磨蝕成不足10 cm厚，由此看來，磨蝕是相當地嚴重。

5.1 1 防風蝕

渠道外坡土質輕，植被覆蓋度差的渠道，要考慮風蝕的危害。主要是采取水保措施，如在渠道外坡上覆蓋砂礫石固坡、在渠道外坡種植灌木、栽種蘆葦沙障網格、鋪設水保網等。一般在灌區邊緣的渠道常發生風蝕危害。

［1］ 中華人民共和國水利行業標準《渠道防滲工程技術規范》(SL18—2004)［M］.北京:中國水利水電出版社，2004:21，121.

［2］ 新疆維吾爾自治區水利統計資料匯編(2009年)［M］.烏魯木齊:新疆水利水電勘測設計院出版科，2009:1.

［3］ 中華人民共和國國家標準《灌溉與排水工程設計規范》GB50288—99［M］.北京:中國計劃出版社，1999:10－12.

［4］ 中華人民共和國水利行業標準《水工建筑物抗冰凍設計規范》SL211—2006［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:1.

［5］ 中華人民共和國水利行業標準《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23—2006)［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:5－15.

［6］ 全國渠道防滲論文選編(1984年).湖南長沙:湖南省水利水電科學研究所，1984.2，8 －11.