北方灌区渠道衬砌研究探讨

2018-05-14赵婷婷石娇赵韬韬牛林鹏严晓威

农村经济与科技 2018年18期

赵婷婷石娇赵韬韬牛林鹏严晓威

[摘要]目的：我国北方地区水资源短缺，昼夜温差大，灌溉占农业用水量的90%，渠道输水是农业灌溉的主要途径，然而渠道渗漏损失不仅降低了农业灌溉水的利用效率，而且加剧了水资源的供需矛盾，本文旨在研究北方地区渠道衬砌，为提高我国农业灌区输水效率提供参考依据。方法：渠道冻胀及防治是引起我国北方冻土地区渠道建设及运行的一个重要问题，本文从渠道衬砌的冻胀机理、研究方法及建议措施三方面来展开讨论。结果：通过三方面的综合整理，提出我们现有技术的一些不足和今后研究中应该注意的问题。结论：削减渠道冻胀即减少渠道的渗漏损失，对提高灌区水利用效率有一定的意义，对渠道冻胀研究有一定的参考价值。

[关键词]渠道衬砌;渠道冻胀;冻胀机理;建议措施

[中图分类号]S277 [文献标识码]A

1 引言

中国淡水资源总量为28124亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。据统计，目前，我国农业用水占总用水量的68%，其中，灌溉占农业用水量的90%，在输水过程中，灌溉水利用效率很低，造成水资源在很大程度上的浪费，怎样提高灌溉水的利用效率呢？渠道防渗是目前应用最广泛的工程节水措施，我国人均年用水量只有世界平均值的四分之一左右，其中渠道输水量占总输水量的70%以上。在我们北方冰冻地区，其渠系水利用系数仅有0.4～0.5，而发达国家已达到0.7～0.8，其主要原因是渠道防渗衬砌遭受到年复一年的冻胀破坏而丧失了防渗能力所致。根据现有衬砌渠道防渗效果的监测结果可以看出，渠道实施衬砌后，干渠防渗效果提高约80%，支渠防渗效果提高约85%，斗渠、农渠防渗效果提高约70%，整体可以减少渗漏损失70%～90%。渠道衬砌后防渗效果显著，可以提高灌溉水的利用效率，缓解水资源矛盾。

我国国土面积960万km2，其中多年冻土区占21.5%，季节冻土区占53.5%，工程冻害普遍严重，是世界第三大冻土国。在这样严峻的环境条件下，做好渠道防渗衬砌是关键，这样不仅可以提高渠系水的利用效率，而且可以使渠道安全运行，延长了工程使用寿命，减少了维修管理渠道的费用，促进了新建工程的发展。一些专家及学者虽然已经对渠道防渗工程做出了一些成就，但是针对具体的北方灌区，根据目前的现状，本文从渠基土的冻胀机理、渠道衬砌的研究方法和建议保护措施三方面来进行深入的研究和探讨。

2 渠道冻胀破坏机理的研究

冻土是复杂的多相和多成分体系，矿物骨架或有机物骨架、冰、未冻水和空气为其基本成分。这些基本组成的差异，使之有独特的物理力学性质、热力学性质。冻胀是土壤中的水分在低温下冻结引起的，其过程特别复杂。在冻结过程中，由于温度场的改变，引起水分的迁移运动，聚集与相变而导致冻胀，并伴随着一系列的工程冻害的发生。

混凝土渠道衬砌冻胀破坏的根本原因，一方面是衬砌结构刚度较小，抗拉及抗弯能力较差：另一方面是衬砌结构向上位移和向阳坡偏转的冻胀变形被渠床冻土约束，加之衬砌板之间的相互约束，使衬砌板成为压弯构件，渠坡成为偏心压弯构件，在较大的法向冻胀力作用下，衬砌结构产生了较大的弯矩和拉应力，当这些力超过其极限承载力时，衬砌结构就会被破坏。

3 渠道衬砌的研究方法

3.1 有限元软件的模拟

研究土冻胀现象的有效手段之一是建立物理与数学模型，深入了解土冻结时物理与化学过程，建立水热力模型，并通过数值模拟探索与了解在不同气象、地质、水文、地表覆盖及建筑物工程条件下，渠基土的温度分布，水分迁移模型，应力集中现象，对渠道衬砌的冻胀破坏有了更直观的认识。数值模拟是一个计算量很大的工作，在上个世纪六十年代前是不容易实现的，但在今天这个计算机普及的时代，数值模拟有了进一步的发展，从开始的热力耦合发展到现在的水热力耦合以及水热力汽四场的数值模拟，充分考虑了更多影响渠道冻胀的因素，使得模拟结果更加接近实测数据，结果更加精确。

从一开始的梯形渠道断面到弧脚梯形再到弧底梯形慢慢地过渡到U型渠道的研究，使渠道有了更加合理的适用断面，研究结果表明，水利最佳和抗冻胀性能最优的弧脚梯形最优断面为：渠底宽是设计水深的0.53倍，坡脚圆弧半径是设计水深的0.3倍，坡脚圆弧中心角即边坡板的倾角为51°。此断面形式不但能适应季节性冻土区渠道防渗抗冻胀工程的实践要求，而且便于机械化施工。弧底梯形和U型渠道的设计断面也被一一研究出来，这为以后的渠道设计工作提供了可靠而又可行的依據，推动了渠道建设的发展。

3.2 试验研究

试验是一种用数据说话的工具，研究者通过大量的试验研究，然后曲线拟合，对比分析，等等，最终得出结论，试验是一个持久的工作，一组试验可以是几个月，甚至是几年，虽然试验没有数值模拟那么快速地得出结论，但是，试验是充分地模拟了渠道衬砌冻胀的真实过程，其数据更有说服力。

兰州冻土试验研究所一直致力于研究渠道冻胀的课题，同时也取得了相应的成就。其中有对冻土本构模型的实验研究，指出冻土属于正交各向异性材料，对大U型渠道的冻胀试验研究，对衬砌的气温、地温，渠基土的含水率、冻深以及衬砌的冻胀变形量等试验数据统计分析比较，分析了渠道衬砌的主要破坏时段和破坏部位的分布规律及其成因。还有很多重要研究成果都离不开一次次的试验研究，所以，试验不失为一种渠道衬砌冻胀研究的好方法。

3.3 新型材料的发展

3.3.1 膜料防渗

膜料防渗是新发展的一种衬砌方式，膜料属于柔性材料，目前在渠道工程中被大量采用，它具有防渗标准高，能适应较大的冻胀变形、造价低廉等优点，弥补了混凝土衬砌型式中的许多缺陷，膜料在渠床开挖断面完成后，稍经整平处理后即可铺设，然后加盖保护层，保护层可用土料、混合料或砂浆等，防渗效果较好;刘旭东研究的基于数值模拟的双层薄膜防渗衬砌渠道抗冻胀机理探讨一文中，铺设双层薄膜后，梯形渠道阴坡、渠底、阳坡的法向冻胀力和切向冻结力分别降低了26.44%、23.53%、30.29%和35.68%、27.75%、41.67%，充分说明了双层薄膜能够削减法向冻胀力、切向冻结力，使冻胀变形更加均匀，抗冻胀效果明显。

虽然膜料防渗有其优点，但是它的不足之处也十分突出;如施工较复杂、主要是膜料铺盖间的搭接，同时为保证保护层的稳定，渠道边坡较大，均在1：1.5以上，因而占地较多，另外，膜料对基础土质有较高的要求，如果基土含有大量有机物会导致膜料过早老化而降低防渗标准，膜料防渗虽然有以上不足，但是作为一种新型防水材料，发展前途仍然很大。

3.3.2 换填措施

渠道除了冻胀问题，还面临着比较严重的盐胀问题膜，薄膜、聚氯乙烯等这些柔性材料就会随着时间慢慢腐蚀，大多数土体顶松体积膨胀向上隆起，从而达不到改善渠道输水率的效果，其结果反而适得其反，它不同于冻胀的是：冻胀一般是在寒冷的冬季里发生，而盐胀则是地温在零度以上的秋冬交替季节就可以发生，在我国北方大多数寒区，渠基土多为冻胀敏感的黄土、黏土，这使得在寒冷气温下，渠道很容易发生冻胀，在秋冬交替土壤开始冻结时，渠基土反复的昼夜温差交替变化和阶段性气温波动的影响而产生盐胀，使土层变得特别松软，衬砌渠道混凝土面板表面多出现裂缝。基于这几种原因，用非冻结换敏感性材料换填冻结敏感性材料不失为一种行之有效的办法。

我国水利部门普遍应用砂砾石换填防治冻胀的措施，其中甘肃省水利科学研究所与甘肃省水利厅下属部门合作，建立了试验渠段，得到用砂砾石换填后渠道冻胀明显减小。砂砾石虽然确实有降低渠道冻胀的效果，但是这些材料大多数要外运到现场，造价高，最重要的是在砂砾石垫层的渠道运营中，由于表面混凝土衬砌接缝不严或因地基砂砾垫层不足而引起衬砌冻胀开裂，使带有大量淤泥的水流不断入渗渠底，使从来没有或轻微冻胀的垫层中泥沙增多，日复一日，年复一年，如此的恶性循环下去，使渠道将无法正常运行。因此，用砂砾石换填渠基土时，其技术措施必须夯实，避免发生“污染”，才能使渠道避免或减少冻胀。

3.3.3 保温隔热措施

衬砌渠道采用保温措施，主要是利用保温材料导热系数低的性能达到改变和控制渠道衬砌基土周围热量的输入输出及转化过程，人为影响渠道的温度场，使得冻土内部的水热耦合作用在时间和空间上向不利于冻胀的方向发展变化。

泡沫保温板用于土工建筑物的防治凍害研究，在国外早就得到了较广泛的应用，近几年我国也开始得到应用，我国水电部水电科学研究院水利科学研究所率先将泡沫保温板用于渠道衬砌下，并与山西省水利科学研究所、山西潇河水利管理局合作，于1985年在渠道中进行实地试验。近几年来，多用于渠道衬砌冻胀保温的保温板为聚苯乙烯泡沫塑料（EPS），其效果非常显著，其一：有的1cm厚的泡沫板能减少冻深达30cm是完全有可能的。山东引黄济青输水河防渗衬砌工程中使用保温板的实践表明，铺设2.0cm的聚苯乙烯泡沫保温板，在低温条件下可提高其下卧土层温度3.99度;而铺设4.0cm厚的保温板，可增高其下卧土表温度7.2度。银英姿等（2001）在内蒙古河套灌区渠系试验工程的效益观测结果表明，铺设5cm厚的EPS板后，其下的冻结深度减少32cm，底板下50cm冻深处的地温上升2.6度，从未冻层进入冻结层中的水分迁移量减少40%，其表面的冻胀量减少78%;而铺设10cm厚的EPS板后，其下的冻结深度可减少65cm，底板下50cm深度处的地温上升4.0度，从未冻层进入冻结层中的水分迁移量减少60%，其表面的冻胀量减少89%。其二：施工方便，渠道开挖段较小，不对基土进行拢动，直接将苯板置于基土上，在苯板上直接进行衬砌材料的施工;其三：在一定条件下，造价便宜，使用的施工机械少，人工省。采用苯板铺设，不用进行基土换填，避免了土石方机械的大量使用。

4 建议及发展

渠道防渗抗冻胀一直是我国水利部重视的问题，近十几年来，我国的渠道技术措施也取得了很大的进步，但是，还存在一些问题亟待解决。

（1）对于有限元软件的应用，不能仅仅局限于应用，应该理论联系实际，进行软件的二次开发，对于水热力三场耦合，目前还存在很多问题，比如：参数的合理选取，现在我们所做的一些耦合分析，其参数大多数来源于前人的研究工作，冻土的发展本质是冻土多孔介质中土骨架、冰晶体、未冻水这三种物质在温度、土水势、压力与变形等外界因素作用下的相互运动、迁移、扩散与相变，因而是一个极其复杂的热力学、物理化学和力学的综合问题。所以，对于耦合参数的选取问题，建议有一个全面的测量分析，建立相应的函数关系和数据库，这样耦合分析的结果会更加接近实际，更加具有说服力。

（2）现如今，污染越来越严重，环境条件也愈来愈恶劣，我国很多地区土地面临着盐碱化，渠道如何在盐碱地区正常地运营工作是一个有待探讨钻研的问题。

（3）换填措施需要很过硬的施工技术，在换填过程中，要避免混入粉质黏土使其成为冻胀敏感性土，在换填中，要对渠基土严格清理，杂草之类的污染物是其隐患之一，所以，施工中机械设备有待提高。

（4）我们应该大力提倡就地取材，废料的重利用，在地下水位较高的平坦地区，黏性土往往富集在此，同时渠基土冻胀严重，但是又比较缺乏粗料料源，这种情况下，如果能就地取材，将会解决工程界的一大难题，在我国新疆，甘肃河西走廊，内蒙古及宁夏等地与沙漠毗邻，风积沙和淤积沙是取之不尽资源，如果能论证将风积沙或淤积沙作为换填材料，将为这些地区开辟新的抗冻建材来源。

（5）强夯法是一种既简单又直接的减小渠道冻胀的方法，经强夯处理后，土的成分并没有改变，但是土的结构确实发生了变化，冻胀也有了明显的减小，建议将来的研究中会重视。

5 结语

本文通过渠基土的冻胀机理、渠道衬砌的研究方法和建议措施三方面来展开研究，对灌区渠道冻胀做了详细系统的分析，众所周知，渠道冻胀是引起渠道失水的主要原因之一，只有从设计、研究、施工多方面加强管理，结合防治措施，才能有效地削减渠道冻胀，减少工程开支，节省人力物力资源，从而提高灌区渠道输水效率和渠系水利用率。

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