汾河一坝渠道防渗墙结构分析

2017-04-07李剑利

山西水利 2017年5期

关键词：贴面砌石汾河

李剑利

（山西省汾河一坝管理局，山西太原 030002）

汾河一坝渠道防渗墙结构分析

李剑利

（山西省汾河一坝管理局，山西太原 030002）

汾河一坝灌区是我国最古老的灌区，灌区内渠道防渗结构从20世纪50年代灌区建设开始，经过半个世纪的实践，浆砌石和混凝土结构的防渗墙是灌区防渗的主体，结合灌区实际，从运行中突显的几个问题进行对比分析，阐述了几种防渗结构的优缺点和适用性，为今后灌区防渗工程提供了参考。

汾河一坝；防渗墙；冻胀；施工

1 概况

汾河一坝灌区是汾河灌区4个相对独立的灌排渠系的最首灌区，灌区北起山西省太原上兰村，南到清徐长头、晋源区高家堡村。流域内属大陆季风带四季分明，年内最高气温出现在7月份，最低在1月份，最大冻土深度约95cm。平均降水量453mm，汛期占72%，以7、8月最多，灌区主要任务是农业灌溉，以及太钢、电厂、公园等的工业和公益供水。灌区地质主要有第四系全新统洪冲积物，地基土沉积时代成因类型自上而下依次为：每1层素填土（Q42ml），主要由粉土、石块组成，混有砂土、碎石，含云母、植物根系等，稍密状态，具中等缩性，局部具有轻微的湿陷性。第2层为粉土（Q4lal+pl），主要由云母、氧化物等组成，局部夹有较湿中密状态的薄砂土。第3层和第4层均为卵石，母岩成分以砂岩为主，充填物为砂土、粉质黏土，夹有粉土、砂土等。

2 渠道防渗的主要问题

汾河一坝渠道的地下水位垂直交替强烈。其水位高低直接受汾河灌区灌溉输水影响，汾河灌区的灌溉以春、冬灌为主，灌水后地下水位上升到2m或是与地表水联成一体，4月底灌区灌溉完成后，输水渠道的地下水位随着时间的推移逐步下降，直到9月以后作物收割，地下水位又回升到2m左右。

汾河灌区早春浇一般从4月初开始，秋冬浇一般在11月庄稼全部收回时进行。渠道输水的时间段，渠道的土壤正处在冻与未冻和正在解冻的状态，尤其是11月土体表面过水，土体含水处于饱和状态，渠道内坡还有余水渗出，这时由于气温下降土体冻结，土体内的水份从液态转化为固态，体积变大，会导致含水土体膨胀，破坏渠道原有的形态，来年解冻时膨胀的土体回不到原来的形态，这种冻胀现象就是对灌区防渗体最大的破坏。

灌区的地质条件和过水条件决定了灌区渠道防渗结构能否成功，其中，最主要的问题就是解决渠道渗漏和冻胀。

3 防渗墙结构

渠道的防渗结构中抗渗和稳定是最基本的要求，在设计时要综合考虑防渗、防冻胀、防冲刷、防淤积等问题。由于一坝灌区渠道受季节性冻胀影响，所以在设计和施工过程中要重点防止渗漏和冻胀破坏，结合汾河灌区多年来的防渗工程经验，一坝灌区渠道防渗工程主要采取浆砌石重力墙和混凝土护坡等结构。

3.1 混凝土贴面

2015年一坝渠道节水改造工程中，一坝东干渠部分渠段早些年已经采用浆砌石的结构进行了防渗，经过多年运行，防渗体表面由于水流冲刷、冻胀等因素破坏情况比较严重，主要体现在渠道防渗面原来的砌石缝脱落和延缝的表面破坏，还有伸缩缝附近和延伸缩缝的破坏。本次工程采用C20混凝土进行10cm的贴面，西干渠渠道采用防渗衬砌结构：重力式挡墙+混凝土贴面的防渗结构，渠道底宽8m，挡墙及底板采用M7.5水泥砂浆砌筑。两侧挡墙高2.1m，顶宽0.4m，内边坡1∶0.4，基础深0.8m，总高2.9m。底板厚0.4m，底板面层及挡墙面层采用C20混凝土防渗，厚10cm，混凝土防渗墙高1.4m。

3.2 混凝土结构

汾河一坝因为地处太原市，其渠道防渗从上世纪七八十年代就开始了，对于城区的渠道大多采用混凝土结构。渠道边墙采用混凝土结构，底板采用浆砌石灌砌混凝土结构，底板厚0.4m，底板过水面采用0.1m厚的现浇混凝土防渗；边墙为仰斜式重力墙顶宽0.4m，基础深0.8m。

3.3 衬砌结构

浆砌石护坡+土工布防渗结构，是传统的防渗结构。灌区渠道原始都是土渠，断面结构大部分为梯形，在早期的非城区一般采用保持原始断面进行防渗，一般其结构是边坡采用1∶1.5，护坡采用35cm-60cm厚的M7.5浆砌石，浆砌石下铺复合土工膜防渗。底面面层采用C20混凝土厚10cm，下部为50cm厚浆砌石。2015年东干渠没有经过防渗的渠段，采用防渗衬砌结构：渠道边墙采用混凝土结构，底板采用浆砌石灌砌混凝土结构，底板厚0.4m，底板过水面采用0.1m厚的现浇混凝土防渗；边墙为仰斜式重力墙，顶宽0.35m，基础埋深0.8m。

4 不同结构的防渗墙利弊分析

混凝土防渗墙结构、浆砌石衬砌结构和混凝土贴面结构都是一坝灌区经过多年的实践运行效果较好的渠道防渗结构。每种结构各有利弊，其节水效果、施工难易、结构构造、工程造价、适用条件都有所不同。

4.1 节水防渗分析

渠道防渗的目的就是通过渠道防渗，减少流经渠道的水量损失，增加灌溉水利用效率，实现高效节水。防渗就是在渠道内过水表面填充不透水材料，防止水量下渗；再则就是减少水流面积，可以加快水流速度，减少单位水量的过水面积或是过水时间。

混凝土防渗、混凝土贴面防渗和浆砌石护坡加土工布防渗这3种结构，从透水程度上说透水量都是很少的，是没有经过防渗自然渠道渗漏损失的10%左右。防渗后渠道的水流速度取决于整体坡降和渠表遭率，渠道坡降取决于灌区地形地貌，渠道表面的遭率在一定情况下，前两种结构要略优于浆砌石护坡的表面。

4.2 工程施工分析

汾河一坝因为地处汾河灌区上游和太原市城区，灌道防渗历史久远。在防渗工程中较常采用的结构有浆砌石、混凝土和贴面。浆砌石工程是用砂浆胶结块石的砌体，其施工过程机械化程度低，只有运输和砂浆搅拌能用机械，每一块块石都需要人员砌筑，施工进度慢，施工质量保证度低。混凝土工程用胶凝材料水泥和填充料砂子将骨料石子凝结成整体，一般都用商砼，施工机械化程度较高，施工速度快，质量均衡保证度高。施工过程需要支模和拆模，拆模必须要等混凝土初凝后方可进行，灌区渠道长需要模板多。贴面是将原来已经防渗、破坏比较严重的渠道防渗体表面处理后，重新浇筑贴面混凝土以保证防渗效果。施工时新旧结合面处理要彻底，清理、凿毛、冲洗每一道工序都不能马虎，浇筑时也存在支模和拆模的问题。

4.3 工程造价分析

因为水利工程单一性的特点，不同位置的渠段其造价也是不一样的。为便于对比，以渠深2.1m、渠宽8m为计算对象，假设在同一渠段不考虑土方和拆除等因素，分析三种方案造价分别为：浆砌石衬砌+复合土工模的防渗结构为2854元/m，现浇混凝土+复合土工模的防渗结构为2006元/m，混凝土贴面用于工程修复，工程量小所以其造价仅为现浇混凝土造价的一半。

4.4 结构适用性分析

汾河一坝的渠道防渗工程中浆砌石衬砌和混凝土浇筑属于新建结构，混凝土贴面用于原来衬砌发生破坏后的维修和改造。

浆砌石防渗结构是灌区多年来运行良好的传统防渗结构，这种结构节水效果、抗冻胀和耐久性均好，施工简便；缺点是施工工期长、工程量大、投资大，对于地下水较高的区域施工难度大，在灌区内主要用于城区外渠段。

混凝土现浇的防渗模式较前一种模式投资小、防渗效果好、输水速度快，缺点是抗冻性和适应变形能力差，损坏后不宜修复。一坝灌区城区段因为受施工地域限制和外界环境影响，采用此种结构进行防渗。

混凝土贴面最主要的问题是会缩小渠道断面，减少渠道设计过水流量。汾河一坝渠道设计流量定于上世纪50年代灌区建设时，主要考虑灌区内的农业灌溉问题。近年来受太原市城镇化建设，农田面积大为缩减，农业用水剧减，所以只要渠道设计流量能满足输水要求，一般采用此种办法。