灌區渠道襯砌施工及結構穩定性研究

摘 要：渠道襯砌是灌區水利灌溉系統的重要組成部分，其可以保證灌溉系統穩定地運行。本文針對梯形截面的渠道襯砌結構，給出詳細的施工流程，從影響渠道襯砌結構穩定性的滲流問題出發，構建飽和滲流模型和穩態滲流模型，說明了滲流速度、滲流流量和滲流系數等關鍵參數的關系。在渠道襯砌結構穩定性的測試試驗中，本文施工方案得到的襯砌結構，在X、Y、Z這3個方向上的滲流流量都大為減少，表明襯砌結構具有很好的穩定性。

關鍵詞：水利灌溉系統；渠道襯砌；飽和滲流模型

中圖分類號：TV 52 " 文獻標志碼：A

灌區水利工程建設在國民經濟總體結構中占有非常重要的地位。水利工程可以防止洪澇災害、輔助灌溉，為日常生產和生活提供重要保障。要推動水利工程的更好發展，就需要建立完善的基礎設施。灌區是水利工程基礎設施的典型形式，通過修建各種水利工程，對種植區域面積上進行合理灌溉[1]。灌區不僅能為生產提供必要的水源，還能實現自然水利資源的二次分配，使其在灌溉的分配上更加合理[2]。灌區灌溉的水利系統一般由縱橫交錯的渠道構成，渠道襯砌是其中最重要的構成單元。在渠道襯砌的屏蔽作用下，引流水不會滲入土壤，從而可以高效地注入農田完成灌溉[3]。然而，如果施工技術不當加上使用年限增加，渠道襯砌就會出現漏點、裂縫，甚至導致滲流現象發生。滲流現象不僅會造成灌溉水資源的巨大浪費，還會導致渠道結構不穩定，從而給灌區的正常工作帶來嚴重危害。因此，本文設計了渠道襯砌的合理施工流程，然后對其結構穩定性進行分析，并通過試驗加以測試。

1 灌區渠道襯砌施工流程設計

1.1 渠道襯砌的截面設計

為了滿足灌區引流灌溉的需要，水渠一般要采用梯形截面的明渠設計。梯形截面的明渠對地形反復變化的適應性強，渠內水流流速均勻，施工建設成本低，使用周期長。梯形截面的明渠設計如圖1所示。

在梯形截面的明渠結構中，兩側通過混凝土密封加回填料。這種施工方法可以最大限度地利用明渠開挖時的原料，而使用混凝土又提高了襯砌邊墻的強度。水流沖蝕腐蝕最嚴重的是襯砌底部，因此，明渠底部采用雙層設計，上層仍然采用混凝土材料設置底板，下層就地取材或購置碎石形成墊層。

1.2 渠道襯砌的施工流程

首先，要挖掘灌區的灌溉水渠，將這個階段的施工稱為基坑挖掘。在基坑挖掘的過程中，要放線完成測量，給出確定的挖掘位置和挖掘范圍。需要注意的是，對軟土土質和硬土土質，要采取不同的挖掘方法。軟土土質的挖掘過程中要配合支撐，避免塌方。對硬土土質來說，放坡開放挖掘即可。

其次，在水渠大體挖成后，要對底部進行回填，保證水渠底部堅實。在底部回填的過程中，要注意對雜物進行有效清除。回填一層，夯實一層，按照從下到上的順序逐層夯實。每層的厚度以20cm左右為宜，夯實后要對平整度進行監測，然后要進行削坡處理。削坡的主要目的是保護渠道免受破壞，例如踩踏和沖刷。為了實現這個目標，削坡時必須保證表面平整，并嚴格控制高程。削坡通常采用人工掛線法，以保證施工精度和符合設計要求。使用這個方法可以保證削坡的準確性和平整度。如果削坡不足，就需要進行修坡，如果削坡過量，就需要回填夯實或填充同等級混凝土，保證渠道結構的穩定性和保障安全性。

邊墻和底部襯砌施工的關鍵是混凝土的配比。施工時需要充分考慮混凝土的耐久性、抗滲性及抗凍性，保證工程的質量和長期穩定性。為了實現這些性能，要嚴格控制水泥、 砂石的配比，并采用高質量材料。在配比過程中，要嚴格按照圖紙規范操作，保證每種材料的用量和比例符合設計要求。

最后，施工縫控制。這是整個施工流程的關鍵步驟。為保證結構完整性和穩定性，須采取措施預防和處理。在澆筑前，清理原混凝土表面的游離附著物和松散顆粒是關鍵，否則會成為施工縫源頭。使用適當的工具和清洗劑打磨沖洗，保證表面干凈。此外，對混凝土表面進行適當補漿，填補微小裂紋、氣孔和不平整處，為新舊混凝土提供平滑接觸面。在澆筑過程中，要保證混凝土連續性和均勻性，避免停頓或斷層，減少施工縫。

2 灌區渠道襯砌施工的結構穩定性分析

在灌區渠道襯砌建成后，結構穩定性面臨的最大安全隱患是渠內水流長時間沖蝕，在襯砌邊墻或襯砌底部容易形成漏點或裂縫，從而導致渠內流水持續泄露，形成與地下水之間的滲流循環。一旦發生這種現象，不僅會導致灌溉水大量流失，還會對襯砌結構造成破壞、大大縮短渠道襯砌的使用壽命，破壞灌溉系統。

滲流涉及的主要參數包括渠內水流滲流的速度、渠內水流滲流的流量等。滲流一般發生在渠內水流和地下水系形成連通，且渠道周邊土壤含水量不飽和之前，由此可以得到飽和狀態下的滲流公式（1）。

（1）

式中：x為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發生滲流時的x向坐標；y為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發生滲流時的y向坐標；z為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發生滲流時的z向坐標；vx為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的x向分量；vy為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的y向分量；vz為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的z向分量；S為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后的滲流邊界；H為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后的水頭損失。

從飽和狀態滲流方程可以延伸到穩態滲流方程，如公式（2）所示。

（2）

式中：Kx為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發生滲流的系數x向分量；Ky為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發生滲流的系數y向分量；Hz為渠內水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發生滲流的系數z向分量。

采用公式（2）可以進一步得到地下水滲流過程中的不穩定滲流方程，如公式（3）所示。

（3）

從上述3個公式可以看出，在渠道襯砌建設過程中預防滲流發生，要明確滲流所發生的空間位置，包括x、y、z這3個方向上的坐標。同時，滲流特征描述要重點關注滲流速度指標，并需要對滲流發生時在空間的3個速度分量分別進行計算。滲流模型中還涉及滲流發生的邊界，這可以限定滲流現象的區域范圍。滲流區域所在的土質結構所具有的滲流系數以及滲流過程中的水頭損失，也都會影響滲流的程度。由此可見，渠道襯砌的滲流過程是一個多參數交互影響的復雜過程。因此，需要基于這些復雜參數的共同考量表達滲流過程。

在滲流發生的過程中，在渠道襯砌及其周圍的土壤中形成水流循環，會加速對襯砌結構的沖刷和腐蝕，這種持續的作用會導致渠道襯砌被破壞。滲流不僅具有沖刷和腐蝕作用，還會改變渠道襯砌所在區域的地質結構微系統，會導致渠道襯砌周邊土壤應力狀態，從而使渠道襯砌受到更多的影響和危害。因此，掌握滲流的規律特征，形成有效抑制和防護，是穩定渠道工作、延長渠道襯砌使用壽命的關鍵，也是本文研究的重點。

3 灌區渠道襯砌施工的結構穩定性測試試驗

按照本文的方法完成灌區的渠道襯砌施工，得到更加便利、高效的水利灌溉系統。為了驗證本文渠道襯砌施工的有效性，根據滲流對襯砌結構穩定性的影響，進行性能測試試驗。要選擇原有渠道襯砌10個關鍵點位，并對其進行測量，分別測量這些點位的X向滲流流量、Y向滲流流量、Z向滲流流量，并以10個點位的平均值為最終的測量結果。按照同樣的方法，完成渠道襯砌施工后，仍然在原有的點位進行滲流測量，也檢測這些點位的X向滲流流量、Y向滲流流量、Z向滲流流量，并以10個點位的平均值為最終的測量結果，然后對比二者之間的差異。

根據渠道襯砌的經驗數據，實施襯砌保護后，滲流流量在持續的測量中會保持相對穩定。滲流形成流量儲備需要一定時間，滲流流量的變化曲線不會是連續光滑或者漸進變化的形態，而是會呈現隨測量時間上下波動、小幅度震蕩的形態。但是，滲流流量變化的總體趨勢是相對光滑的。通過測量襯砌施工前后的滲流流量數值，可以有效地觀察滲流流量是否減少。

渠道滲流流量是一個體積型概念，因此會在X、Y、Z這3個方向上都存在滲流流量的分量。要觀察滲流流量是否達到預期的減少目標，就需要分別在X、Y、Z這3個方向上進行測量，并對襯砌施工前后進行對比。

第一組試驗：按照本文方法完成渠道襯砌施工后，通過試驗觀察滲流流量在X向的減少量比例。襯砌施工前后滲流流量在X向的對比如圖2所示。

從圖2可以看出，新施工的渠道襯砌系統，滲流流量在X向大為減少，在水流持續流動的過程中，X向滲流量最低減少81%，最高減少了92%。沿著觀測時間軸線來看，X向滲流流量減少程度的變化符合實際情況，不是持續光滑變動，而是呈現上下波動、小幅度震蕩的形態，且各個測量時間點之間的變化趨勢是無規律的。

圖2中的X向滲流對渠道襯砌造成的X向應力云圖如圖3所示。

從圖2可以看出，滲流過程會產生應力，這種應力會加速渠道襯砌的底部和側壁老化。按照同樣的方法，進一步觀察滲流流量在Y向的減少量比例，如圖4所示。

從圖4可以看出，新施工的渠道襯砌系統，滲流流量在Y向大為減少，在水流持續流動的過程中，Y向滲流量最低減少80%，最高減少了92%。

按照同樣的方法，進一步觀察滲流流量在Z向的減少量比例，如圖5所示。

從圖5可以看出，新施工的渠道襯砌系統，滲流流量在Z向大為減少，在水流持續流動的過程中，Z向滲流量最低減少78%，最高減少了88%。

4 結論

灌區灌溉的水利系統一般由縱橫交錯的渠道構成，渠道襯砌是其中最為重要的構成單元。在渠道襯砌的屏蔽作用下，引流水不會滲入土壤，從而高效地注入農田完成灌溉。本文以梯形明渠襯砌為主要結構形式進行施工，具體的施工流程包括基坑挖掘、回填夯實、削坡處理、混凝土配置、施工縫控制、伸縮量控制、混凝土振搗、襯砌養護。本文從襯砌滲流的角度出發，考察滲流對襯砌結構的影響，并給出穩定性分析的具體方法。通過3個方向上滲流流量來考察本文施工后的渠道襯砌結構的穩定性。

參考文獻

[1] 劉浩齊，王蘭蘭，張紅正，等.水利工程中農田灌溉防滲渠道襯砌施工技術分析[J].科技創新與應用， 2013（26）：1.

[2] 陳杰.水利工程中農田灌溉防滲渠道襯砌施工技術分析[J].文摘版：工程技術， 2015（13）： 92-95.

[3] 劉國峰，黃新磊，彭旭，等.輸水渠道襯砌修復組合式圍堰設備研發關鍵技術[J].中國水運， 2024， 24（4）： 24-28.