北方灌區渠道襯砌研究探討

趙婷婷 石嬌 趙韜韜 牛林鵬 嚴曉威

[摘 要]目的：我國北方地區水資源短缺，晝夜溫差大，灌溉占農業用水量的90%，渠道輸水是農業灌溉的主要途徑，然而渠道滲漏損失不僅降低了農業灌溉水的利用效率，而且加劇了水資源的供需矛盾，本文旨在研究北方地區渠道襯砌，為提高我國農業灌區輸水效率提供參考依據。方法：渠道凍脹及防治是引起我國北方凍土地區渠道建設及運行的一個重要問題，本文從渠道襯砌的凍脹機理、研究方法及建議措施三方面來展開討論。結果：通過三方面的綜合整理，提出我們現有技術的一些不足和今后研究中應該注意的問題。結論：削減渠道凍脹即減少渠道的滲漏損失，對提高灌區水利用效率有一定的意義，對渠道凍脹研究有一定的參考價值。

[關鍵詞]渠道襯砌;渠道凍脹;凍脹機理;建議措施

[中圖分類號]S277 [文獻標識碼]A

1 引言

中國淡水資源總量為28124億立方米，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。據統計，目前，我國農業用水占總用水量的68%，其中，灌溉占農業用水量的90%，在輸水過程中，灌溉水利用效率很低，造成水資源在很大程度上的浪費，怎樣提高灌溉水的利用效率呢？渠道防滲是目前應用最廣泛的工程節水措施，我國人均年用水量只有世界平均值的四分之一左右，其中渠道輸水量占總輸水量的70%以上。在我們北方冰凍地區，其渠系水利用系數僅有0.4～0.5，而發達國家已達到0.7～0.8，其主要原因是渠道防滲襯砌遭受到年復一年的凍脹破壞而喪失了防滲能力所致。根據現有襯砌渠道防滲效果的監測結果可以看出，渠道實施襯砌后，干渠防滲效果提高約80%，支渠防滲效果提高約85%，斗渠、農渠防滲效果提高約70%，整體可以減少滲漏損失70%～90%。渠道襯砌后防滲效果顯著，可以提高灌溉水的利用效率，緩解水資源矛盾。

我國國土面積960萬km2，其中多年凍土區占21.5%，季節凍土區占53.5%，工程凍害普遍嚴重，是世界第三大凍土國。在這樣嚴峻的環境條件下，做好渠道防滲襯砌是關鍵，這樣不僅可以提高渠系水的利用效率，而且可以使渠道安全運行，延長了工程使用壽命，減少了維修管理渠道的費用，促進了新建工程的發展。一些專家及學者雖然已經對渠道防滲工程做出了一些成就，但是針對具體的北方灌區，根據目前的現狀，本文從渠基土的凍脹機理、渠道襯砌的研究方法和建議保護措施三方面來進行深入的研究和探討。

2 渠道凍脹破壞機理的研究

凍土是復雜的多相和多成分體系，礦物骨架或有機物骨架、冰、未凍水和空氣為其基本成分。這些基本組成的差異，使之有獨特的物理力學性質、熱力學性質。凍脹是土壤中的水分在低溫下凍結引起的，其過程特別復雜。在凍結過程中，由于溫度場的改變，引起水分的遷移運動，聚集與相變而導致凍脹，并伴隨著一系列的工程凍害的發生。

混凝土渠道襯砌凍脹破壞的根本原因，一方面是襯砌結構剛度較小，抗拉及抗彎能力較差：另一方面是襯砌結構向上位移和向陽坡偏轉的凍脹變形被渠床凍土約束，加之襯砌板之間的相互約束，使襯砌板成為壓彎構件，渠坡成為偏心壓彎構件，在較大的法向凍脹力作用下，襯砌結構產生了較大的彎矩和拉應力，當這些力超過其極限承載力時，襯砌結構就會被破壞。

3 渠道襯砌的研究方法

3.1 有限元軟件的模擬

研究土凍脹現象的有效手段之一是建立物理與數學模型，深入了解土凍結時物理與化學過程，建立水熱力模型，并通過數值模擬探索與了解在不同氣象、地質、水文、地表覆蓋及建筑物工程條件下，渠基土的溫度分布，水分遷移模型，應力集中現象，對渠道襯砌的凍脹破壞有了更直觀的認識。數值模擬是一個計算量很大的工作，在上個世紀六十年代前是不容易實現的，但在今天這個計算機普及的時代，數值模擬有了進一步的發展，從開始的熱力耦合發展到現在的水熱力耦合以及水熱力汽四場的數值模擬，充分考慮了更多影響渠道凍脹的因素，使得模擬結果更加接近實測數據，結果更加精確。

從一開始的梯形渠道斷面到弧腳梯形再到弧底梯形慢慢地過渡到U型渠道的研究，使渠道有了更加合理的適用斷面，研究結果表明，水利最佳和抗凍脹性能最優的弧腳梯形最優斷面為：渠底寬是設計水深的0.53倍，坡腳圓弧半徑是設計水深的0.3倍，坡腳圓弧中心角即邊坡板的傾角為51°。此斷面形式不但能適應季節性凍土區渠道防滲抗凍脹工程的實踐要求，而且便于機械化施工。弧底梯形和U型渠道的設計斷面也被一一研究出來，這為以后的渠道設計工作提供了可靠而又可行的依據，推動了渠道建設的發展。

3.2 試驗研究

試驗是一種用數據說話的工具，研究者通過大量的試驗研究，然后曲線擬合，對比分析，等等，最終得出結論，試驗是一個持久的工作，一組試驗可以是幾個月，甚至是幾年，雖然試驗沒有數值模擬那么快速地得出結論，但是，試驗是充分地模擬了渠道襯砌凍脹的真實過程，其數據更有說服力。

蘭州凍土試驗研究所一直致力于研究渠道凍脹的課題，同時也取得了相應的成就。其中有對凍土本構模型的實驗研究，指出凍土屬于正交各向異性材料，對大U型渠道的凍脹試驗研究，對襯砌的氣溫、地溫，渠基土的含水率、凍深以及襯砌的凍脹變形量等試驗數據統計分析比較，分析了渠道襯砌的主要破壞時段和破壞部位的分布規律及其成因。還有很多重要研究成果都離不開一次次的試驗研究，所以，試驗不失為一種渠道襯砌凍脹研究的好方法。

3.3 新型材料的發展

3.3.1 膜料防滲

膜料防滲是新發展的一種襯砌方式，膜料屬于柔性材料，目前在渠道工程中被大量采用，它具有防滲標準高，能適應較大的凍脹變形、造價低廉等優點，彌補了混凝土襯砌型式中的許多缺陷，膜料在渠床開挖斷面完成后，稍經整平處理后即可鋪設，然后加蓋保護層，保護層可用土料、混合料或砂漿等，防滲效果較好;劉旭東研究的基于數值模擬的雙層薄膜防滲襯砌渠道抗凍脹機理探討一文中，鋪設雙層薄膜后，梯形渠道陰坡、渠底、陽坡的法向凍脹力和切向凍結力分別降低了26.44%、23.53%、30.29%和35.68%、27.75%、41.67%，充分說明了雙層薄膜能夠削減法向凍脹力、切向凍結力，使凍脹變形更加均勻，抗凍脹效果明顯。

雖然膜料防滲有其優點，但是它的不足之處也十分突出;如施工較復雜、主要是膜料鋪蓋間的搭接，同時為保證保護層的穩定，渠道邊坡較大，均在1：1.5以上，因而占地較多，另外，膜料對基礎土質有較高的要求，如果基土含有大量有機物會導致膜料過早老化而降低防滲標準，膜料防滲雖然有以上不足，但是作為一種新型防水材料，發展前途仍然很大。

3.3.2 換填措施

渠道除了凍脹問題，還面臨著比較嚴重的鹽脹問題膜，薄膜、聚氯乙烯等這些柔性材料就會隨著時間慢慢腐蝕，大多數土體頂松體積膨脹向上隆起，從而達不到改善渠道輸水率的效果，其結果反而適得其反，它不同于凍脹的是：凍脹一般是在寒冷的冬季里發生，而鹽脹則是地溫在零度以上的秋冬交替季節就可以發生，在我國北方大多數寒區，渠基土多為凍脹敏感的黃土、黏土，這使得在寒冷氣溫下，渠道很容易發生凍脹，在秋冬交替土壤開始凍結時，渠基土反復的晝夜溫差交替變化和階段性氣溫波動的影響而產生鹽脹，使土層變得特別松軟，襯砌渠道混凝土面板表面多出現裂縫。基于這幾種原因，用非凍結換敏感性材料換填凍結敏感性材料不失為一種行之有效的辦法。

我國水利部門普遍應用砂礫石換填防治凍脹的措施，其中甘肅省水利科學研究所與甘肅省水利廳下屬部門合作，建立了試驗渠段，得到用砂礫石換填后渠道凍脹明顯減小。砂礫石雖然確實有降低渠道凍脹的效果，但是這些材料大多數要外運到現場，造價高，最重要的是在砂礫石墊層的渠道運營中，由于表面混凝土襯砌接縫不嚴或因地基砂礫墊層不足而引起襯砌凍脹開裂，使帶有大量淤泥的水流不斷入滲渠底，使從來沒有或輕微凍脹的墊層中泥沙增多，日復一日，年復一年，如此的惡性循環下去，使渠道將無法正常運行。因此，用砂礫石換填渠基土時，其技術措施必須夯實，避免發生“污染”，才能使渠道避免或減少凍脹。

3.3.3 保溫隔熱措施

襯砌渠道采用保溫措施，主要是利用保溫材料導熱系數低的性能達到改變和控制渠道襯砌基土周圍熱量的輸入輸出及轉化過程，人為影響渠道的溫度場，使得凍土內部的水熱耦合作用在時間和空間上向不利于凍脹的方向發展變化。

泡沫保溫板用于土工建筑物的防治凍害研究，在國外早就得到了較廣泛的應用，近幾年我國也開始得到應用，我國水電部水電科學研究院水利科學研究所率先將泡沫保溫板用于渠道襯砌下，并與山西省水利科學研究所、山西瀟河水利管理局合作，于1985年在渠道中進行實地試驗。近幾年來，多用于渠道襯砌凍脹保溫的保溫板為聚苯乙烯泡沫塑料（EPS），其效果非常顯著，其一：有的1cm厚的泡沫板能減少凍深達30cm是完全有可能的。山東引黃濟青輸水河防滲襯砌工程中使用保溫板的實踐表明，鋪設2.0cm的聚苯乙烯泡沫保溫板，在低溫條件下可提高其下臥土層溫度3.99度;而鋪設4.0cm厚的保溫板，可增高其下臥土表溫度7.2度。銀英姿等（2001）在內蒙古河套灌區渠系試驗工程的效益觀測結果表明，鋪設5cm厚的EPS板后，其下的凍結深度減少32cm，底板下50cm凍深處的地溫上升2.6度，從未凍層進入凍結層中的水分遷移量減少40%，其表面的凍脹量減少78%;而鋪設10cm厚的EPS板后，其下的凍結深度可減少65cm，底板下50cm深度處的地溫上升4.0度，從未凍層進入凍結層中的水分遷移量減少60%，其表面的凍脹量減少89%。其二：施工方便，渠道開挖段較小，不對基土進行攏動，直接將苯板置于基土上，在苯板上直接進行襯砌材料的施工;其三：在一定條件下，造價便宜，使用的施工機械少，人工省。采用苯板鋪設，不用進行基土換填，避免了土石方機械的大量使用。

4 建議及發展

渠道防滲抗凍脹一直是我國水利部重視的問題，近十幾年來，我國的渠道技術措施也取得了很大的進步，但是，還存在一些問題亟待解決。

（1）對于有限元軟件的應用，不能僅僅局限于應用，應該理論聯系實際，進行軟件的二次開發，對于水熱力三場耦合，目前還存在很多問題，比如：參數的合理選取，現在我們所做的一些耦合分析，其參數大多數來源于前人的研究工作，凍土的發展本質是凍土多孔介質中土骨架、冰晶體、未凍水這三種物質在溫度、土水勢、壓力與變形等外界因素作用下的相互運動、遷移、擴散與相變，因而是一個極其復雜的熱力學、物理化學和力學的綜合問題。所以，對于耦合參數的選取問題，建議有一個全面的測量分析，建立相應的函數關系和數據庫，這樣耦合分析的結果會更加接近實際，更加具有說服力。

（2）現如今，污染越來越嚴重，環境條件也愈來愈惡劣，我國很多地區土地面臨著鹽堿化，渠道如何在鹽堿地區正常地運營工作是一個有待探討鉆研的問題。

（3）換填措施需要很過硬的施工技術，在換填過程中，要避免混入粉質黏土使其成為凍脹敏感性土，在換填中，要對渠基土嚴格清理，雜草之類的污染物是其隱患之一，所以，施工中機械設備有待提高。

（4）我們應該大力提倡就地取材，廢料的重利用，在地下水位較高的平坦地區，黏性土往往富集在此，同時渠基土凍脹嚴重，但是又比較缺乏粗料料源，這種情況下，如果能就地取材，將會解決工程界的一大難題，在我國新疆，甘肅河西走廊，內蒙古及寧夏等地與沙漠毗鄰，風積沙和淤積沙是取之不盡資源，如果能論證將風積沙或淤積沙作為換填材料，將為這些地區開辟新的抗凍建材來源。

（5）強夯法是一種既簡單又直接的減小渠道凍脹的方法，經強夯處理后，土的成分并沒有改變，但是土的結構確實發生了變化，凍脹也有了明顯的減小，建議將來的研究中會重視。

5 結語

本文通過渠基土的凍脹機理、渠道襯砌的研究方法和建議措施三方面來展開研究，對灌區渠道凍脹做了詳細系統的分析，眾所周知，渠道凍脹是引起渠道失水的主要原因之一，只有從設計、研究、施工多方面加強管理，結合防治措施，才能有效地削減渠道凍脹，減少工程開支，節省人力物力資源，從而提高灌區渠道輸水效率和渠系水利用率。

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