摘要:隨著國民經濟的發展,農業用水量隨之上升,水利用系數越來越的到人們的重視。本文根據近年來干支渠渠道防滲技術的發展,結合桃曲坡水庫實際工程,對渠道防滲技術、防滲效果以及經濟效益進行分析,并提出目前渠道防滲技術難點,以及可實施的解決方案。
關鍵字:干支渠 防滲技術 滲透理論 方案
Abstract: With the development of national economy, and the increase of agricultural water, water utilization coefficient has drawn more and more attention. In this paper, according to the development of canal seepage control technology of main and branch canal of recent years, and combining with the practical engineering Taoqubo reservoir, the author analyses the canal seepage control technology, anti-seepage effect and economic benefit, and puts forward the current difficulties of canal seepage control technology, and the available solution.
Keyword: main and branch canal; seepage control technology; seepage theory; solution
中圖分類號 : TL353+.2文獻標識碼: A 文章編號:
1 前言
隨著我國工業農業的迅速發展,以及人民生活水平的不斷提高,各行業用水量也隨之增加,尤其是農業灌溉用水更是占全國用水量70%以上,其中灌溉用水約占農業用水的92%。然而由于某些地區灌溉技術的限制使得本來有限的水資源不能得到充分的利用,據統計,我國目前灌溉水的利用系數不足0.5,全國已建防滲渠道還只占渠道總長的18%。
渠道防滲是我國目前農田灌溉節水措施中最為經濟而且易于實施的節水措施之一,是我國目前最優先使用的也是使用范圍最為廣泛的節水技術措施。渠道防滲的作用不僅可以顯著減少水的滲漏,提高渠系水利用系數,而且可以提高輸水能力,水在防滲渠道中的流速一般較土渠高30%左右,引水能力比土渠增加50%左右,同時渠道防滲還有調控地下水水位、防止土壤鹽堿化、沼澤化,改良生態環境和降低渠道管理養護費用以及減小渠道斷面尺寸等作用。
正是由于渠道防滲有著如此經濟且顯著的使用效果才使得進一步發展和優化渠道防滲技術具有了重要的意義。
2 滲透理論
水由渠道深入渠床究其原因是水的滲流引起。滲流指的是水或其他流體透過巖土體孔隙流動的現象,水在巖土體中的滲流,一方面會引起水頭損失,另一方面將引起土體變形。
法國工程師達西在垂直圓管中裝砂進行滲透試驗,得出層流條件下,土中水滲透速度與能量(水頭)損失之間關系的滲流規律:達西定律即單位時間內的滲出水量q(cm3/s)與水力梯度i和滲透斷面面積A成正比,且與圖的透水性質有關:
其中:k是反映土的透水性大小的一個很有用的系數,稱為土的滲透系數,相當于水力梯度i=1時的滲透速度,其量綱與滲透速度相同(cm/s)。
滲流的計算就是為了減少因水的滲流而引起的水利用系數下降,導致工程經濟效益下降。對于水的滲流可以根據水流的形態分一維、二維、三維計算。灌溉渠道可按一維水流態進行計算即一維滲流計算方法。
3 防滲設計
3.1 防滲材料
渠道防滲常用的防滲材料有土料、石料、水泥土、混凝土、膜料、瀝青混凝土等。各種防滲措施用料及特點如下表所示:
表1防滲措施用料及特點
防滲材料 |
用料 |
優點 |
缺點 |
土料 |
粘性土、黏砂混合土、灰土、三合土和四合土等 |
該材料能就地取材,料源豐富,技術簡單,造價低廉,可以利用碾壓設備 |
渠道允許流速較低,抗凍性差 |
水泥土 |
水泥、土 |
便于就地取材、防滲性能較好、施
工簡便 |
水泥土的早期強
度低以及抗凍性差 |
砌石 |
干砌卵石、干砌塊石、漿砌料石、漿砌塊石、漿砌石板等 |
抗流速大、能就地取材、抗凍和防凍害能力強、耐磨能力強,有較好的防滲效果以及較強的穩定性等 |
不易機械化施工,故施工質量難于控制;造價不一定低,采用時應進行經濟技術論證 |
混凝土 |
混凝土 |
防滲效果好、糙率低、強度高、便于管理等 |
適應變形的能力差,
在缺乏砂石料的地區造價較高 |
瀝青混凝土 |
瀝青、混凝土 |
具有良好的不透水性、耐久性和柔性等 |
該材料應用發展較慢,究其原因,主要是存在料源不足、植物穿透和施工工藝嚴格等問題 |
土工膜料 |
聚乙烯(PE )、聚氯乙烯(PVC )等 |
防滲性能好、適應變形能力強、質量輕、用量少、運輸量小、施工簡便、工期短、耐腐蝕性強、造價低等 |
土工膜較薄,在施工和運行管理期易被刺破,使得其防滲性能大大降低 |
新型固化土防滲材料 |
土壤固化劑 |
可就地取材、工程造價低、施工簡單方便、防滲效果較好等 |
抗凍性不穩定、耐久性差等 |
3.2 襯砌結構型式
目前我國渠道襯砌的斷面形式大多采用梯形、矩形、U形及復合形。矩形和梯形渠道優點是施工簡單,但水流速度慢,抗凍性能不好。U形斷面的渠道較矩形與梯形防滲效果更好而且具有水流條件佳、體積小、結構穩定性好、抗凍脹變形能力強、造價低、使用壽命較長等優點。
4 工程實例
4.1工程概況
桃曲坡水庫是一座以農業灌溉為主,兼有城市供水的中型水利工程。水庫位于石川河支流沮水河的下游,地處銅川市耀州區城北15km處的沮河峽谷地帶,是一座以農業灌溉為主,兼有城市供水的中型水利工程,總庫容5720萬m3,有效庫容3949萬m3。桃曲坡水庫灌區位于關中北部的渭北旱塬區,轄銅川市耀州區、銅川市新區、渭南市富平縣和咸陽市三原縣等兩區兩縣21個鄉鎮,198個行政村,916個村民小組,總人口46.7萬人,其中農業人口37.9萬人。灌區灌溉是以桃曲坡水庫供水為主,兼有引清、引洪,跨流域調水,蓄、引、提結合多渠首多水源的灌溉系統。灌區設施灌溉面積31.83萬畝,有效灌溉面積25.5萬畝,灌溉保證率為50%。灌區主要設施包括桃曲坡水庫、紅星水庫、尚書水庫和馬欄、岔口兩座自流引水樞紐,共有干渠5條,總長93km;支渠35條,總長139.2km,干支渠建筑物892座。
4.2防滲方案
先選取其中東干渠某段為試驗渠,渠身原土料為壤土。經反復比較, 選用土工膜加混凝土薄板襯砌作為試驗渠段的處理方案。土工膜采用的是Rm高充填PVC合金膜,密度為1.3g/cm3, 厚度為0.25mm, 抗拉強度為14~16MPa,延伸率≥250%。
試驗段渠道設計流量q=15.0m3/s,渠道開挖后如圖1所示,由于渠道斷面寬淺防滲膜采用埋鋪式全鋪,具體鋪設方案如圖2
渠底土工膜鋪設完畢后, 渠底及弧形部分直接澆筑混凝土。以上邊坡過渡層采用20~30mm厚砂漿,保護層采用預制150#混凝土,厚80mm,防滲層詳細構造見圖3。
4.3施工工藝
施工工藝的優劣直接關系到渠道防滲的效果和經濟效益。對于土工布和現澆混凝土防滲施工工藝中最重要的部分是保證土工膜的完整性,以及水渠邊坡保護層的穩定。
4.3.1 鋪膜
鋪膜前要對渠床上的尖角沙石,樹根雜草進行清理,并根據渠道設計寬度每邊預留至少5cm以便鋪膜,然后將原土夯實。膜料接縫采用特種PVC粘接劑,連接前需將膜料擦拭干凈,粘結寬度5~10cm。若膜料出現損壞破洞,應及時進行修補,防止滲漏。施工時土工膜不宜拉的太緊,施工人員要注意不要將膜料踩破,冬季溫度太低不宜施工。
4.3.2過渡層
因過渡層直接鋪在土工膜上,過渡層砂漿不宜太厚,太厚易致使砂漿下滑。
4.3.3砌筑保護層
渠底過渡層鋪設完成之后,再現澆200#混凝土,厚度12cm。渠底及弧形部分采用用現澆混凝土,以上采用40厘米x50厘米、50厘米x80厘米兩種預制板鋪設。原因是,混凝土施工簡單,利用攔頭模板可進行部分澆筑,能夠保證渠道底部及過水部分的整體性。以上部分由于邊坡坡較陡,施工時現澆混凝土容易沿土工膜下滑,土工膜上又不便于支模,施工難度較大且效果不如預制混凝土板好,而且上部預制板損壞也便于及時更換。
4.4防滲效果
從2000年開始利用世行項目進行骨干工程改造,水利用系數從0.65提高到0.88。本灌區年平均飲水3500萬m3灌區自開灌以來,為當地農業增產、農民增收和農村穩定工作做出了重要的貢獻。糧食畝產由開灌初期的150kg提高到現在的630kg,區域內農作物種植結構由以前的單一糧食型向多經高效格局發展,復種指數從開灌前的1.25提高到近年的1.57,累計增產糧食6.4億kg,農業產值4.86億元,農民收入持續增加,隨著灌區糧食的增產,富平、耀縣已被省上列為商品糧基地。
5我國渠道防滲發展趨勢
進二十年來,我國渠道防滲技術得到很高的重視,發展也相當快,從最初簡單的土料防滲到最新高分子防滲材料的使用,我國在渠道防滲工程方面走出了一條符合我國國情、逐步走向高效的經濟技術發展路線。由于受到我國目前經濟實力的限制,科研經費投入有限,一些深層次的問題還沒有得到很好的解決,特別是成套的防滲技術方案和防滲施工的機械化、自動化還沒有實現,目前主要還是簡單的靠人力,使用簡單的防滲技術進行防滲處理,致使一些防滲工程耐久性差、易損壞、返修多。要進一步提高防滲水平,節約成本、提高水利用率,這些都是需要解決的問題。
5.1渠道防滲發展難點:
(1) 在我國北方地區冬季寒冷,渠道防滲工程存在相當嚴重的凍脹問題。我國目前采取的渠道防滲防凍脹措施大致可歸納為兩種:一是進行土的置換或是強夯處理;二是在襯砌的結構上選擇合理的襯砌結構和斷面形式。為減少基土凍脹作用對渠道防滲工程的破壞, 標準凍深大于10cm的季節凍土地區襯砌渠道, 必須進行防凍脹設計:做好渠道沿線土質、地下水位、凍深的調查,因地制宜,不同的凍脹情況做好不同的處理方法,并選擇有代表性的區段進行試驗觀測和計算。
(2) 特種土基渠道防滲技術。特種土基渠道,指渠床土是濕陷性黃土、鹽漬土、軟弱土、膨脹土、凍脹土的渠道。在這類渠道上修建防滲工程, 應先采取措施, 對渠床土進行處理, 然后再根據當地條件, 選用常用的防滲方法, 并注意設置排水設施。
(3) 施工機械化及施工工藝的改進。與發達國家機械化施工為主相比,我國目前仍然以人工施工為主,但也在逐步朝機械化方向發展。機械化施工能更加快速、高質量的完成渠道防滲施工,耐久性好、返修率低、水利用率高。
5.2發展和推廣防滲工程新技術的對策
(1) 渠道防滲工程, 雖然形式簡單, 但各項技術復雜, 應加強設計與施技術培訓, 建立完善的工程設計審查和評議以及工程施工的監理和監測制度。
(2) 增加科研投入力度, 增加跨行業合作, 在工程材料、設計方法、施工技術和施工機械、等方面增加創新進行深化研究。
(3) 倡導就地材料的利用, 以降低工程造價,減少周圍生態環境的擾動,保護和改善生態環境。
(4) 結合節水重點縣建設, 選擇幾個具有代表性的的地區, 建立綜合性高技術示范工程, 以促進渠道防滲工程技術的發展。
6結語
近幾十年以來,我國在干支渠渠道防滲技術以及其在工程應用上取得一定進展,無論是襯砌結構方面還是在防滲材料的開發方面,以及施工新技術方面都取得了長足的進展。伴隨著我國灌區節水任務的開展,干支渠渠道防滲工程技術必將被大規模地應用。因此,在我國渠道防滲節水在農業方面起著相當重要的作用。然而在渠道防滲的應用過程中必將會發現跟多新的需要去研究的問題,渠道防滲工程技術技術復雜性使其必須加強跨領域合作,加大科研投入以提高渠道防滲抗凍和耐久性為重點以提高施工速度和降低工程造價為目的加大渠道防滲工程技術的研究力度。
參考文獻:
[1] 張春園. 大力普及節水灌溉確保農業持續穩定發展—在全國節水灌溉工作會議上的講話究[M].. 中國農村水利水電, 1996
[2] 岳寶蓉. 我國北方渠道防滲技術的發展究[J].防滲技術, 1996, 6,1-5.
[3] 周維博, 李立新, 何武權等. 我國渠道防滲技術研究與進展究[J]. 水利水電科技進展, 2004, 10, 60-63.
[4] 艾樹衡, 陳清芬, 余祥全等. 田士豪混凝土及膜料復合渠道防滲技術的研究[J]. 防滲技術, 1996, 9, 9-12.
[5] 石金堂 渠道防滲工程設計及凍害防治問題研究 [學位論文] 碩士2004
[6] 陸榮 現澆混凝土防滲渠道施工技術探討 [期刊論文] -排灌機械2001(2)