興電灌區(qū)渠道防滲分析防滲技術(shù)應(yīng)用

1、甘肅興電灌區(qū)渠道防滲技術(shù)分析與應(yīng)用甘肅省白銀市興電工程管理局張國琦摘要： 渠道防滲改造是興電灌區(qū)綜合治理節(jié)水改造，提高水的利用效率，實現(xiàn)節(jié)水灌溉的重要手段之一， 而渠道防滲節(jié)水效果又主要是通過渠道水利用系數(shù)來體現(xiàn)的；如何估算渠道水利用系數(shù)，是進行水資源供需平衡分析確定渠道規(guī)模的重要依據(jù)之一，也是渠道節(jié)水量計算的重要依據(jù)。本文應(yīng)用渠道水損失率的概念，根興電灌區(qū)的實際測算數(shù)據(jù)，從理論上推導(dǎo)出渠道水利用系數(shù)的統(tǒng)一估算式，進一步研究了流量取值對渠道水利用系數(shù)的影響。概述渠道的輸水損失計算研究是興電進行節(jié)水型社會建設(shè)的一個重要課題。進行渠道防滲改造，是興電灌區(qū)加大續(xù)建配套與節(jié)水改造力度，減少用水損失，改

2、善灌區(qū)生態(tài)環(huán)境，提高水資源的利用率和生產(chǎn)效率所采取的主要手段之一。結(jié)合灌區(qū)實際，興電渠系改造采用新技術(shù)、新方法：干渠斷面梯弧化，支干渠現(xiàn)澆U型化，支、斗渠預(yù)制襯砌U型化。明渠襯砌全部采用土工防滲膜，減少了水損失，收到了明顯的效果，使渠系水利用率由1998年的 0.64 提高到 2009年的0.68 。年節(jié)約水量 400多萬 m3, 年可增加水費收入96元。在多年的實踐中，形成了一些符合興電灌區(qū)實際的渠道的輸水損失計算公式。渠道滲漏分析對渠道水利用系數(shù)的估算，就是對渠道的輸水損失的正確計算，也就是如何將渠道輸水損失合理的轉(zhuǎn)化為渠道水利用系數(shù)的一種數(shù)量變化關(guān)系。2.1一般土渠道在現(xiàn)行灌溉渠道流量的

3、計算方法中，是將每公里渠道長度上的輸水損失S 作為一個常數(shù)，用下列公式推算設(shè)計流量Q設(shè)和渠道水有效利用系數(shù) 渠。Q設(shè) =Q毛 =Q+Q(1)(2)(3)(4)(5)由式 (1)和式 (5)可推求出下式：(6)(7)式中L渠道長度 (km) ； S單位渠道長度輸水流量損失m3/(s m)； A、 m系數(shù)和指數(shù)，與渠床土壤的透水性有關(guān)；Q毛、 Q渠道毛流量和凈流量(m3/s) 。若渠首毛流量為Q 毛，經(jīng)過流程L 后的流量為Q，再經(jīng)過流程dl ，若損失流量為dQ，則從渠首經(jīng)過流程L+dl 后的凈流量為Q-dQ。在 dl 渠段內(nèi)，單位流量在單位流程上的損失量為 ，根據(jù)式(2) ，得到下式：(8)式 (

4、8)又可化為：Qm-1dQ=Adl積分為： Q毛 QQm-1dQ= L0Adlm-1 QmQ毛 Q=Al L0m-1(Qm毛 -Qm)=A L所以，經(jīng)過流程L 后，凈流量為：Q=(Qm毛 -A m L)m-1(9)由式 (6) 和式 (7) 又可推導(dǎo)出計算渠段L 內(nèi)渠道水利用系數(shù)平均值的公式：(10)將式 (9) 代入式 (4) 得：即：(11)以上公式中的常數(shù)m、 A 由實測來確定，也可參考有關(guān)文獻數(shù)值。2.2防滲渠道防滲渠道的形式及特點渠道防滲是提高渠道水有效利用系數(shù)、減小輸水過程損失的工程措施，興電灌區(qū)采用不易透水的塑料薄膜作為防護層進行防滲處理，既可減少水的滲漏損失，又可加快輸水速度，

5、減少輪灌時間，縮短輪灌周期，提高灌水效率等優(yōu)點。襯砌渠道的滲水損失公式S 防 = S(12)式中S 防采取防滲措施后每公里渠道的滲水量(m3/s);S未采取防滲措施時每公里渠道的滲水量(m3/s) ； 滲水量減少系數(shù)。將式 (11) 代入式 (12) 得：(13)2.3渠道輸水損失率從上述推演可以看出渠道的損失計算對渠道水利用系數(shù)的估算是十分重要的，根據(jù)水在土壤中滲流的理論，當?shù)叵滤裆詈艽螅袧B流速度近似等于K，水力坡降近似等于1，則每公里渠道滲漏損失的機理表達式為,每公里渠道損失率為。式中 S 為每公里渠道損失流量（m3/skm）； K 為渠床土壤滲透系數(shù)(m/d) ； 為每公里損失流量占

6、渠道凈流量的百分數(shù)(%) ； QK 為渠道的凈流量(m3/s) ；Y 為斷面邊坡側(cè)向毛管吸水的修正系數(shù)，其決定于土壤的毛管特性，取值為 1.11.4 ；b、h、M分別為渠道斷面的底寬（m）、渠深（ m）、邊坡系數(shù)。因有渠道流量，而寬深比，則渠道的水深，代入渠道的損失率公式有，這一表達式經(jīng)過變換后可以寫成如下更為一般的表達式：，若以滲透系數(shù)A代替，同時為使中的 0.5 次方更具有統(tǒng)計方面的河相意義，以流量指數(shù)m 表示，則渠道輸水損失率可以表達為更為簡潔的形式而且更接近于AH 考斯加可夫的公式即。從興電灌區(qū)已經(jīng)防滲的渠道的渠道損失的統(tǒng)計資料進行分析表明，對于襯砌渠道公式所表達的形式也是一樣的，只是

7、公式中的流量指數(shù)以及滲透性系數(shù)取值不同而已。興電灌區(qū)塑膜防滲和漿砌石防滲的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，相關(guān)系數(shù)在0.76以上，具有較好的相關(guān)性。統(tǒng)計資料表明土渠存在，對于塑料薄膜防滲存在，而對于漿砌石渠道存在的關(guān)系，可見所推導(dǎo)的理論公式在興電灌區(qū)具有十分重要的應(yīng)用價值，對于襯砌形式不同的渠道以及土質(zhì)渠道都可以得出形式上相同的反映渠道輸水損失的公式來，所得出的理論公式中參數(shù)A 以及參數(shù)m所具有的不僅僅是上述的物理意義了，更多的是渠道水損失率的統(tǒng)計意義。2.4渠道水利用系數(shù)在渠道地質(zhì)條件、幾何斷面及襯砌形式等條件完全相同的渠道上，設(shè)起始段面的流量為Q0，離該斷面樁號為x 處的流量為Q(x), 我們把 x 點處的

8、流量Q(x) 對 x 的導(dǎo)數(shù)的負值定義為該段面的流量損失強度P(X) ，。流量的損失強度與渠道本身的性質(zhì)和流量的大小有關(guān)，可以假定， 渠道某一段面的流量損失強度與該段的流量比值為常數(shù)k，。基于以上對渠道的兩個基本假定，可以得出，對此式進行在0 x 上的積分有，積分得出流量沿程變化的基本關(guān)系式，由此可見，沿程流量為一指數(shù)函數(shù)，k 的數(shù)字反映流量消減的快慢，它是一個由渠道本身性質(zhì)決定的參數(shù)。有了渠道流量關(guān)系式，現(xiàn)在可以利用這一關(guān)系式推求每公里渠道水利用系數(shù)。對于前后斷面存在，即，而距離起始段面一公里處的流量為，把損失強度代入此式有。因此每公里渠道水利用系數(shù)，可以表達為，同理對于渠道水利用系數(shù)也可進

9、行推算即，此式表明了全渠道水利用系數(shù)與單位長度水利用系數(shù)的關(guān)系。很顯然單位渠道水利用系數(shù)與單位渠道水損失率存在關(guān)系式，由此關(guān)系式再依據(jù)上述渠道水利用系數(shù)與單位渠道水利用系數(shù)的關(guān)系式，則有，這就是我們想要得到的渠道水利用系數(shù)的估算式。L 為地質(zhì)條件、幾何斷面及襯砌形式等條件完全相同的渠道長度。對于地質(zhì)條件、幾何斷面及襯砌形式等條件不同的渠道可以首先劃分為不同的計算渠段，利用估算式分別計算不同渠段的渠道水利用系數(shù)，全渠道水利用系數(shù)顯然有，在此就不加推證了。我們對渠道水利用系數(shù)推求，具有十分重要的應(yīng)用價值，主要是由于引入了單位流量損失率，而單位流量損失率具有形式簡單的特點，所有渠道均可以采用統(tǒng)計的方

10、式得出這一形式。從而更廣的推求了渠道水利用系數(shù)。興電灌區(qū)渠道防滲技術(shù)應(yīng)用由此，我們針對興電灌區(qū)的輸水損失狀況，摸索了一些適應(yīng)興電灌區(qū)的渠道防滲技術(shù)：3.1、渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式干渠渠道的襯砌結(jié)構(gòu)形式：渠道邊坡采用六邊形預(yù)制板襯砌，弧底為反拱預(yù)制板襯砌。由下到上依次為：鋪 0.25mm厚防滲塑料薄膜，墊 3cmM5水泥砂漿過渡層，M10漿砌砼預(yù)制塊。支干渠渠道的結(jié)構(gòu)形式：采用現(xiàn)澆R400U 型槽和 R600U型槽兩種形式。其整體現(xiàn)澆的 U 型渠道，具有較大的輸水輸沙能力，水力性能好、斷面小、占地少、省工省料的特點。由于整體穩(wěn)定性好，抵抗基土凍脹破壞的能力較強，適用于流量在0.3m3/s 1.5m3/

11、s 的中小型渠道?，F(xiàn)澆的 U 型渠道防滲效果、耐久性好，且整齊美觀。支、斗渠渠道的襯砌結(jié)構(gòu)形式：采用預(yù)制“U”型砼渠槽襯砌，詳見圖1。圖 1141 4204460152 全UD40 型槽1/2D 60 U型槽“ U”型襯砌的特點: 施工簡易，進度快，防滲效果好，整體性強，受力條件好，對來自外部的凍脹力有較強的抵抗力，凍脹程度僅為梯形渠的1/3 1/4 ，當凍脹力較強時，“U”型渠道將會整體上抬，解凍后多數(shù)可以復(fù)位。對于1/2D60 預(yù)制 U 型槽構(gòu)件，在實際應(yīng)用中更為廣泛。特點是：底縫具有可調(diào)性，可根據(jù)流量和縱坡的大小，對襯砌底縫做適當調(diào)節(jié)最大可調(diào)節(jié)到 24cm，渠道過水流量可達到0.4 m3

12、/s 。3.2 、渠道斷面設(shè)計3. .1 干渠斷面 : 為梯形斷面，縱坡 1/3000 ，糙率 n=0.017 ，邊坡系數(shù) m=1.5，底寬 1.0m，渠口寬 8.2m，渠深 2.4m，采用梯弧型斷面， 弧形底半徑 r=3.14m ，邊坡系數(shù) m=1.25，渠口寬 8.2m，渠深 2.4m。根據(jù)地質(zhì)條件來確定梯弧型渠道襯砌厚度，粘性土壤地段， 采用厚度為6cm的預(yù)制板，圖 2Q=9.6，h =2.107Q =8.0，h =1.948. 51 1115=1RM10水泥砂漿襯砌預(yù)制塊厚 6厘米M10水泥砂漿墊層厚 3厘米鋪設(shè)防滲塑料 0.25mm原土翻夯厚 30厘米改造后總干渠橫斷面圖單位： cm

13、底厚為 8cm的預(yù)制返拱底；沙性土壤地段邊坡采用12cm加厚板，底為15cm厚預(yù)制返拱底。如圖2。東干渠渠道斷面：由梯形斷面改造為梯弧型斷面，縱坡1/3000 ，糙率n=0.017 ，邊坡系數(shù) m=1.5，渠口寬 7.72m，渠深 2.14m，采用 6cm 厚的六邊形預(yù)制板襯砌，返拱底厚度和總干渠相同。如圖 3。圖 377230350. 5: 11222200M10 水泥砂漿襯砌預(yù)制塊厚 6厘米8M103鋪設(shè)防滲塑料 0.25mm原土翻夯厚 30厘米190東干渠斷面圖北干渠渠道斷面：為梯形斷面，縱坡1/2000 ，糙率 n=0.017 ，邊坡系數(shù)m=1.5，底寬0.6m，渠口寬4.8m，渠深

14、1.4m。為滿足輸水及防滲要求，采用梯弧型斷面，弧形底半徑r=2m，圖 4605302501. 501:41200M10水泥砂漿襯砌預(yù)制塊厚 6厘米M10水泥砂漿墊層厚 3厘米鋪設(shè)防滲塑料 0.25mm原土翻夯厚 30厘米190北干渠斷面圖邊坡系數(shù) m=1. 5，渠口寬 6.05m，渠深 1.4m，采用 6cm 厚的六邊形預(yù)制板襯砌，返拱底厚度和總干渠相同。詳見圖 4。支干渠斷面：采用現(xiàn)澆R400U 型槽和 R600U型槽兩種形式?，F(xiàn)澆R400U型槽，上口寬 0.97m，底弧半徑 0.40m，開敞角 14，渠深 0.7m，厚度 0.1m ；現(xiàn)澆 R600U型槽，上口寬 1.30m，底弧半徑 0

15、.60m，開敞角 11.30 ，渠深 0.9m，厚度 0.1m。詳見圖 5。 R400U型槽和 R600U型槽砼現(xiàn)澆由于斷面大， 施工難度大， 施工中外模采用土模， 內(nèi)模采用 U 型鋼模具， 每節(jié)長 2.5m，R600U型槽鋼模具自重 280kg， R400U型槽鋼模具自重 246kg，人工起落移動困難大，在施工中我們設(shè)計采用四個架車輪胎支撐鋼龍門架，掛上 2.0t 倒鏈，起落和前后移動鋼模具輕松快捷，解決了大斷面 U 型槽現(xiàn)澆提模難的問題。圖 515971515130150141401111.1130R0 R=47=600152080157.49010101R U型斷面圖R U型斷面圖400

16、600單位 :cm單位 :cm支、斗渠斷面：全 UD40、全 UD50和 1/2UD60。預(yù)制厚度均為 4cm。其中 1/2UD60 型槽，口寬 72cm，渠深 54cm，對底縫寬度做適當增加調(diào)整，使渠道的過水能力提高，流量隨之加大。底縫采用 C15 細粒砼現(xiàn)澆。預(yù)制 U型槽技術(shù)參數(shù)明細表表 1構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)U 型渠輸水能力流量（ m3/s）規(guī)底縫渠深渠寬板厚水深1/50格cmcmcmcm上傾角cm1/10001/15001/20000全 UD405056414400.070.0530.0430.0395全 UD5048623.56360.150.120.100.0965478414440.25

17、0.220.180.121/2UD60125484414440.300.260.200.16245496414440.400.340.290.223.3渠道施工工藝及施工技術(shù)采取機械化和半機械化操作模式，預(yù)制砼件（塊）采用定點半機械工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)澆渠道采用移動式發(fā)電機組，砼拌和均采用拌和機拌制，人工填料，機械振搗，人工養(yǎng)護。梯弧型渠襯砌施工技術(shù)。在總干渠、東、北干渠均選用六邊形預(yù)制板形式襯砌，首先原土翻夯30cm，再鋪 0.25mm 厚防滲塑料薄膜，墊3cm 水泥砂漿過渡層。上鋪C15 砼預(yù)制塊防沖層。其中弧形底厚8cm 和 15cm，在施工過程中修整好渠內(nèi)邊坡，用M10水泥砂漿勾縫，每10m

18、設(shè)一條伸縮縫?，F(xiàn)澆 U 型渠道施工技術(shù)。U 型斷面施工程序為：開挖標準斷面1:10 水泥土抹面底弧段現(xiàn)澆安裝U型鋼模（將2 節(jié) 1.25m 模具組合為一模2.5m，二模為一現(xiàn)澆單元組）現(xiàn)澆弧段及側(cè)墻凝固4 小時后拆模（用2 臺 2t 手動葫蘆分段提升）移模（一組為一移動單元）現(xiàn)澆封沿板。在砼澆筑施工中應(yīng)注意如下事項：（1）原材料。水泥、沙石料品質(zhì)符合國家標準規(guī)定。砼用水要求是能飲用的清潔水。（2）拌和。采用機械拌和，水泥、沙、石、混合材料按質(zhì)量計，水和外加劑溶液按質(zhì)量折算成體積。稱量的偏差，嚴格控制在1%。（ 3）運輸。運至澆筑地點的砼，應(yīng)滿足澆筑規(guī)定的坍落度，當有離析現(xiàn)象時，必須在澆筑前進行

19、二次拌和。（4）澆筑。澆筑前應(yīng)仔細檢查有關(guān)準備工作，特別是模板的檢查校正。澆筑采用人工入倉，插入式振搗棒振搗渠坡，平板振搗器振搗渠底。（5）養(yǎng)護。在砼澆筑完畢后12h 內(nèi)，用草簾或麻袋及時覆蓋，撒水養(yǎng)護。砼的連續(xù)濕潤養(yǎng)護時間，一般不少于14d。明渠大斷面現(xiàn)澆R400、 R600U 型槽帶封沿整體現(xiàn)澆，一次提模，一次成型，自行設(shè)計四個力車輪胎支撐鋼制龍門架，起吊、移動大斷面U型鋼模具的方法，解決大斷面U型槽整體現(xiàn)澆難度大的問題，起到了很好的推廣示范作用。預(yù)制 U 型槽襯砌施工技術(shù)。 在支、 斗渠防滲改造時， 先開挖近似大于渠道斷面 610 cm 的渠槽，一般至設(shè)計渠線以下 57 cm 。土模形成

20、后，進行安裝“ U”形槽，安裝順序一般按縱坡從上至下，板縫控制在 2 3 cm 之間，以利勾縫渠槽形成整體。由于開挖斷面與“ U”型槽斷面不十分吻合，渠槽背面有時會出現(xiàn)空洞，采用填土搗實，達到密實效果。為了增加“ U”型槽的穩(wěn)定性，防止地表水注入“U”型槽背面，減少內(nèi)水壓力，以現(xiàn)澆砼封沿為宜。封沿板砼為C15，一般寬15 20cm，厚6 10cm。渠道伸縮縫間距一般為10m，縫寬3cm，伸縮縫填筑前，應(yīng)先用鋼筋鉤或其它器具清除縫內(nèi)雜物及泥土，并沖洗干凈，待縫壁清潔干燥，再用熬拌好的瀝青砂漿灌入縫內(nèi)，迅速沿槽面抹平。3.4渠道伸縮縫填料干渠、支干渠伸縮縫處理: 先用 1： 1： 4 水泥瀝青砂漿填充2cm，其次涂5mm聚氯乙烯油膏，重復(fù)以上一次操作，達到5cm 厚填充材料，實踐證明止水效果比較理想。支渠、斗渠伸縮縫處理: 先用 1：1：4 水泥瀝青砂漿填充，其次用聚氯乙烯油膏封頂。3.5材料選用及優(yōu)點:聚乙烯塑料薄膜：隔斷渠道滲水和大氣降水對渠床基土的補給，和冬季地下水毛細管的遷移作用， 渠道基土在一定深度內(nèi)的含水量低于起始的凍脹含水量，減輕了凍脹和水量損失。水泥沙漿墊層：不僅能防止聚乙烯塑料薄膜在施工中的破壞，而且能與砼板、聚乙烯塑料薄膜構(gòu)成一個防滲整體。六邊形預(yù)制板渠道：改善了防滲渠道凍脹變形分布的不均勻性，增加了結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)造應(yīng)力。反拱預(yù)制板襯砌渠底：