小農水項目渠道防滲方式設計分析

黃曉鵬

保山市隆陽區水利電力勘測設計隊，云南保山 678000

據統計，某些土渠以沙壤土作為渠道建設與防滲材料，粉砂質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70%[1]，難以滿足農田灌溉以及地區用水的需求，一方面會加劇農田的欠收現象，嚴重違背灌溉工程設計的初衷；另一方面輸水滲漏現象會導致灌溉工程受到大量的水流沖擊，極易誘發溝道滑坡、山區泥石流以及地面塌陷等地質災害，不利于農田灌溉工程的正常運行以及地區地質環境的維穩。

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，在實際進行渠道防滲方式設計時，應當充分考慮渠道所在地區的地質環境條件、降雨量、水文條件、灌溉工程類型、工程輸水量、農作物類型、農作物需水量等因素，并以此為基礎，選擇滿足渠道施工費用預期報價的工程材料作為渠道的防滲材料，在滿足實際水利應用需求的基礎上保障渠道工程施工的經濟效益與生態效益，達到灌溉工程的預期設計目標。

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，整體的穩定性與穩固性較差，容易受到水流的沖擊而發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。據統計，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發生凝結作用改變土料渠道的形狀，破壞土料渠道結構的完整性，因此其施工完成后需要進行精細化的維護與保養，以延長其使用周期。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、施工流程簡單的優勢，采用土料作為防滲材料只需就地挖取土壤將其夯實成固定的渠道形狀，即可完成渠道的施工與防滲設計，在我國華東與華南地區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土料而言也有所延長。同時水泥土中的土料組分又具有就地取材的優勢。因此，在暖溫帶、亞熱帶、熱帶地區經常會使用水泥土作為防滲材料，但是由于其本身強度有限，其所具備的抗凍、抗冷縮能力也無法滿足在寒冷地區的輸水要求。

1.3 膜料

膜料通常是指塑料防滲漏膜或者土工防滲漏膜，在渠道的表面鋪設膜料可以有效隔絕水流的對渠道的滲入作用，據統計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%的輸水數量滲漏損失，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，但是其造價相對較低，占地面積也較大，通常應用于中小型低流速渠道建設與防滲措施中。塑料防滲漏膜的質量較輕，運輸成本相對低廉，但是單位面積的防滲成本要遠遠高于土工防滲，通常應用于大型高流速渠道建設與防滲措施中。

1.4 漿砌石

漿砌石施工采用擠漿法分層砌筑，砌筑應先在基礎面上鋪一層3～125px厚的稠砂漿，然后安放石塊，且將大面朝下，砌筑程序為先砌“角石”、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材料相比具有更為明顯的優勢，其在抗水流沖刷、抗寒抗凍、防滲漏等方面能力較強。據統計，砌石防滲的滲漏量約為每公里0.3%～2%[3]，同時砌石防滲的材料獲取費用相對較低，只需在當地山區或石頭堆積處就地取材進行運輸即可，節省渠道工程施工成本。尤其是在我國的西南部地區，由于地質活動相對頻繁、山體滑坡與泥石流現象時有發生，從容易滑塌的傍山渠段以及石料較為豐富的山區采集砌石構筑渠道將會極大地降低工程造價。由于石塊間空隙被充塞密實，因而具有更好的整體性、密實性和強度，可以防止滲水漏水，增加抵抗侵蝕的能力。近年來，漿砌石的使用范圍有了進一步擴大，如為提高砌體抗拉和抗剪強度，在膠結材料層上鋪設鋼筋網或鋼筋，加筋的或不加筋的漿砌塊石建筑物設計的基本原理與混凝土或鋼筋混凝土中常用的原理相似。在中國水利工程大量使用漿砌料石或漿砌塊石，當渠道的水量溢出時，可以及時利用砌石進行渠道的加高與空缺填補，有利于渠道搶修工作的開展。

1.5 混凝土

應用混凝土作為防滲材料，可以使得渠道在大容量、高負載、高流速的水流作用下能夠保持內部應力結構完善和平衡，充分利用混凝土材料的剛性與強度增強渠道的抗水流沖刷與侵蝕作用，使得渠道的耐磨性較強，渠道的使用壽命較長，降低渠道的維護與保養費用。同時，由于混凝土材質的致密性，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90%以上，而混凝土筑成后其表面相對光滑，糙率系數較低，對水流流動產生的摩擦力較小，可以極大地提高渠道的輸水能力，避免水體泥沙淤積現象的發生。

在大型水利工程設施與渠道防滲設計中，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。為了解決這個矛盾，充分發揮混凝土的受壓能力，常在混凝土受拉區域內或相應部位加入一定數量的鋼筋，使兩種材料粘結成一個整體，共同承受外力，這種配有鋼筋的混凝土，稱為鋼筋混凝土。用鋼筋和混凝土制成的一種結構，鋼筋承受拉力，混凝土承受壓力，具有堅固、耐久、防火性能好、比鋼結構節省鋼材和成本低等優點。

2 渠道防滲結構設計與防滲措施

2.1 渠道選線設計

渠道選線是減少渠道水量滲漏的首要環節，自然環境與社會環境的選擇都會影響渠道的防滲效果。若是在地形起伏度較大、地質活動相對頻繁、地質環境相對復雜、地下水位較高、土壤質地相對松軟的地段或區域建筑渠道，建筑地基的不穩定會影響渠道的牢固性與使用壽命，溶洞、地下暗河等地質狀況下極易產生地面沉降。渠道在長時間的使用下會發生磨損與動搖，破壞渠道的完整性。人居環境也會對渠道的防滲效果產生一定的影響，若是將渠道修筑在道路等的規則地物無排水系統附近，強降雨帶來的水量將全部進入到渠道這一低洼區域內，一方面會強化水流對渠道側壁的沖刷能力，尤其是在暴雨條件下，渠道極易出現溢流狀態，會破壞渠道防滲設施的基礎。因此在渠道選線設計階段，應當綜合考慮當地的地質地形、降水量、人居環境等因素，選擇土質強度較高、黏性較弱、致密性較好的區域作為渠道建筑區域，并注意避開公路、鐵路等交通要線，以防止周圍的積水向渠道流入。同時為了保證渠道輸水的獨立性，可以在渠道兩側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，并在防滲渠的兩側開挖截水溝，保證排水的通暢性。

2.2 渠道斷面設計

渠道斷面設計類型對渠道的水量防滲漏能力具有較大的影響，目前渠道設計中常見的斷面形狀包括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土地資源的占用率，減少施工過程中的挖填土方量，通過更為內斂的渠道斷面加快渠道內水體的流速，減少水體的泥沙堆積現象。同時，由于U型渠道具有較強的整體性，因此其防滲漏效果也較好，經常應用于中小型渠道斷面設計中。弧形坡腳梯形斷面的開口相對較大，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較緩，過水條件較好，濕周較小。弧形坡腳梯形與弧形渠底梯形的弧線起伏相對連貫，在渠道最為薄弱、最易發生伸縮縫開裂的渠道分縫處，弧形斷面設計可以有效降低渠道的伸縮率，進而提升渠道的耐久性與使用壽命，經常應用于地下水位較高的大中型渠道斷面設計中。常見的渠道斷面型式有矩形、梯形、U型和復合型，其中，梯形斷面的施工流程相對簡單、施工復雜度較低。在邊坡穩定性較高且地質特征無特殊問題的地區均可采用U型斷面設計。弧形底型渠道適應凍脹變形能力強，在北方地區應用較多。矩形斷面一般適合于硬質建筑材料的地區，如用卵石、石板及砭作襯砌材料的渠道。

3 結語

防滲材料與防滲結構設計是小農水項目渠道防滲方法設計中的重要環節，材料的致密性、渠道選線設計與渠道斷面設計關系到渠道的使用壽命以及渠道輸水滲漏損失率。因此，在實際的渠道防滲設計與施工過程中應當結合當地的自然與人文條件進行綜合考量與防滲方案制定。

[1] 王麗原，楊曉玉. 樺川縣小農水項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. 灌區節水改造工程中幾種渠道防滲方式的應用[J]. 山西科技，2009（6）：141-142，145.

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