山西尊村灌区渠道防渗防冻胀技 ...

一、 灌区概况

尊村灌区位于山西省南端运城市中、西部,黄河小北干流东侧,涑水河盆地。灌区东、南两面环山,西临黄河,北接黄土台塬,为半封闭盆地,呈东西条带状,东西长113km,南北宽30km。灌区总体地形是东北、西北、东南部高,西南和中部低,三面高,中间低。地面高程约在海拨350~550米之间。

灌区属于干旱、半干旱大陆性季风气候,全年受季风活动影响,一般每年十月至翌年五月,受西伯利亚干冷气流控制,盛行西北季风,最大风速17m/s,气候特点是多风少雨。汛期一般为六至九月份,受太平洋暖湿气流控制,盛行东南季风,特点是降雨集中,且多暴雨及雷阵雨,多年平均年降水量为540mm,汛期降水量占全年60%以上,年降水量年际变化也较大。多年平均水量蒸发量在2000mm左右。年平均气温为13℃,最高气温42℃,最低气温-10℃,无霜期为210天,年径流深在10~25mm之间,年径流系数为0.02~0.05。地下水资源可开采模数为8.06。多年平均冻土深29.1cm,最大冻土深42cm,属季节性冻土。年太阳总辐射量为121~129千卡/cm2,年日照时数为2350小时,大于10℃积温为4563℃。本区热量丰富,光照充足,灾害天气以干旱为主,且出现频繁,持续期长。

灌区地貌根据地形和构造特征分四个单元:峨嵋岭倾斜平原、涑水河河谷带状平原、鸣条岗黄土长梁和青龙河河谷平原。本区出露地层主要为第四纪地层,有下更新统(Q1)冲洪积及冲湖积亚粘土夹层和砂砾层;中更新统(Q2)冲洪积亚沙土亚粘土夹砂砾石层;上更新统及全新统(Q4)风积灰黄色亚砂土、冲积的亚粘土夹中粗砂层。根据土工试验,其土质为Ⅰ级非自重湿陷性黄土。

该区地处山西陆台南端,属祁吕贺兰山字型构造体系东翼的一部分,同时受秦岭、新华夏构造的影响。本区是夹在孤峰山~稷王山~紫金山隆起带和中条山隆起带中间的一个盆地沉降带。盆地两侧有次一级的断裂构造带。主要工程地质问题是黄土湿陷性问题。

由于灌区处在沉陷带上,不同时期和地段堆积了不同厚度的湖积物、河湖积物、冲洪积物,分布的多层砂砾石层为地下水储存、运移创造了条件。在水平方向和垂直分带上差异较大。地下水类型为松散层孔隙水。据埋深不同,含水层时代和水动力特征可分为浅层水、中层水和深层水。埋深一般在20m以下,地下水运移方向大致为北东~南西向。

浅层水质类型水平分带性很强,其水质类型主要为HCO3•SO4~Na与SO4~Na型水以及Cl~Na型水,矿化度l~5g/l,局部可达10g/l,属于半咸水和咸水,而且从区域四周到中间,水质越来越差。据评价,不符合灌溉标准。

中深层水水质类型以HCO3•SO4型水为主,矿化度1~2.5g/l,盐湖区最高达6.2g/l,据评价,除盐湖区外均符合灌溉标准。本区内部分地区,如盐湖区新郭、寨里,永济青渠屯等地,氟离子、No3-、No2-、No4-均有不同程度超标。

尊村灌区范围包括永济、临猗、盐湖区、夏县、闻喜五县(市、区),37个乡镇,596个行政村,农业人口71万人,农业劳力40.45万人。农业机械约3万台,以拖拉机、三轮车、收割机为主。农业总产值16.93亿元,人均年收入3015元。区内工业主要有钢铁、化工、机械、轻纺、建材及食品等大中小型工矿企业158个,其中海鑫钢铁集团公司、南风化工集团公司最为著名。灌区总土地面积269.86万亩,总耕地面积187.08万亩,设计灌溉面积166万亩,有效灌溉面积84.19万亩,2009年实灌面积51.79万亩。

尊村一级站工程于1976年2月破土动工,随后二至九级站工程亦相继动工上马。1979年为贯彻国民经济调整方针,六至九级站停工缓建,集中力量进行一至五级灌区工程施工,由此形成了一、二期工程。

截止目前,尊村灌区已建成9级23站,总干渠133.92km(其中海鑫供水管道31.62km),分干渠四条107.27km,支渠81条504.02km,斗渠3290条,长3319km,配套面积84.19万亩。

尊村灌区的防渗技术除条山分干0+000~16+800为砌石矩形渠、海鑫供水为31.62km预应力砼管道、八干一支为5.4 km双壁波纹塑料管外,其余的一至五灌区干、支、斗渠均为衬砌砼预制板,六至八干、支渠为现浇砼梯形渠,砼下铺设土工布,斗渠为现浇U形渠。据《渠道工程抗冻胀设计规范》(SL23—91)3.2.1条规定,选取渠道断面上的冻胀量最大值2.29cm为衬砌渠道的最大冻胀位移值。据规范表3.2.3,整体式U形渠允许位移值为4~5cm,而计算得渠道的最大冻胀位移值2.29cm,小于规范允许值,满足抗冻胀要求,不需采取防冻胀工程措施。

二、灌区渠道防渗防冻胀技术措施应用情况

一至五灌区工程由于年久失修,渠道老化严重,勾缝脱落,渠水渗漏,渠床塌陷,防渗板悬空,决口跑水经常发生,渠道路漏损严重,用水效率低下,严重影响灌区效益的发挥。1999年,国家实施大型灌区节水改造工程项目,我们紧紧抓住机遇,进行灌区节水改造。改造的项目主要是老化淤积无法运行的干支渠,取得了一定的效果。截止2009年底,完成29条支渠长度161.491km改造,改造形式为现浇C15砼U形、及弧底梯形渠(渠首段50~80m)。改造段每4m设一横向伸缩缝,缝宽2cm,采用聚氯乙烯胶泥填塞和1:1:4沥青水泥砂浆封口。U型渠的主要优点是:①水利条件好,近似最佳水力断面,可减少衬砌工程量,输沙能力强,有利于高含沙水流。②在冻胀性和湿陷性地基上具有一定的适应地基不均匀变形的能力。③渠口窄,节省土地,减少挖填方量。④整体性强,防渗效果优于梯形断面。⑤便于机械化施工,可加快施工进度。⑥砼U形渠抗磨蚀、防渗均优于其他防渗渠,伸缩缝的设置能较好适应气候变化、湿陷黄土地基下沉的影响,因而延长渠道使用寿命。

三、典型渠道防渗防冻技术措施案例分析

1、一干三支及分支渠

尊村灌区一干三支及分支渠建于1978年,进口位于一干渠011+010处(永济市张营太吕村),全长5.0km,原设计流量0.48 m3/s,灌溉面积1.06万亩,受益范围为永济市张营乡黄河滩涂地。渠道走向分为“东~西”和“南~北”向,土壤为沙壤土,土的干密度为17~18KN/m3,天然含水量16%,土的塑限含水量为20%,多年平均冻土深29.1cm,最大冻深42 cm,属季节性冻土,地下水埋深5m。原渠道为梯形预制板防渗,由于原渠底高程过低,设计断面过大,渠道纵坡较缓,再加上渠水含沙量较大(10kg/),实际过水流量较小(0.15 m3/s),导致泥沙淤积严重,难以过水,另外工程年久失修,防渗板损坏严重,造成农作物得不到适时灌溉。

2005年10月~2006年5月份,完成了该渠3.93km的D100、D80 “U”

型改造。渠道设计采用较优断面,流速在不冲不淤泥之间。渠道水利要素:一干三支渠为D100,纵坡为1/1500~1/2000,渠深1m,口宽1.28 ~1.1m,流速0.76 m/s,衬砌厚度7cm,设计流量0.47m3/s。为避免壅水,影响量水精度,将0+000~0+050段改为弧底梯形渠,口宽2.42 m。分支渠为D80,纵坡为1/1000,渠深1m,口宽0.8m,流速0.76 m/s,衬砌厚度7cm,设计流量0.2m3/s。

施工工艺:拆除原梯形渠预制板后,清扫干净,将现渠坡开挖成台阶状(30×30cm),用粘性土分层夯实,压实度不小于0.93,达到设计标高,反铲挖掘机开挖渠槽,人工精修符合U型标准断面后,用U型衬砌机浇筑砼,原浆收面,洒水养维。每4m留伸缩逢一道。冬季施工,按冬季施工要求进行,如加热水,加防冻剂,覆土保温等。

该渠改造后,满足了灌溉输水要求,2006年,当年配水15万m3,浇地1700亩地。经抗冻胀计算,渠道的最大冻胀位移置为2.29cm,小于规范允许值,满足抗冻要求,不需要采取防冻胀工程措施。

2、四干二支渠

该渠建于1979年,进口位于四干渠69+750处,全长11.55km,大部分为挖方渠段,原设计流量1.2 m3/s,灌溉面积3.5万亩,受益范围为运城市盐湖区金井乡。渠道走向分为“东~西”和“南~北”向,土壤为轻壤土,土的干密度为15~16KN/m3,天然含水量18%,土的塑限含水量为20%,多年平均冻土深29.1cm,最大冻深42 cm,属季节性冻土,地下水埋深20m。原渠道为梯形预制板防渗,纵坡1/4000,由于渠道纵坡较缓,再加上渠水含沙量较大(10kg/),渠道仅能过0.15 m3/s流量,每年清淤需耗费大量人力和财力,给工程管理带来极大不便,造成农作物得不到适时灌溉,严重挫伤了群众用水的积极性。

2004年8月~2005年12月份,完成了该渠5.6km的D160“U“型改造,渠道水利要素:渠深1.3m,口宽1.98 m,流速0.76 m/s,衬砌厚度10cm。设计流量0.9 m3/s,灌溉面积调整为2.6万亩。

施工工艺:同上。

该渠改造后,无论输水能力、灌溉面积和抗冻害能力、耐久性都有明显提高。改造前输水能力只有0.15 m3/s ,从干渠进水口到王南村的输水时间长达5小时左右,配水不到10万亩,灌溉面积只有1000余亩。改造后,输水流量达0.8 m3/s,输水时间只有2小时,2006配水67.35万方,灌溉面积1万亩,随后几年一直居增不减,产生了较好的经济效益和社会效益。由于渠道断面、纵坡设计合理,流速在不冲和不淤流速之间,防渗防冻胀效果明效明显提高。改造完成至今已过5个年头,渠道仍完好无损。

3、二干五支渠

该渠建于1979年,进口位于四干渠49+502处(开张镇高淮村),全长8.82km,大部分为半挖半垫渠段,原设计流量1.5m3/s,灌溉面积2.86万亩,受益范围为永济市开张镇。渠道走向分为“东~西”和“南~北”向,土壤为轻壤土,土的干密度为15~16KN/m3,天然含水量18%,土的塑限含水量为20%,多年平均冻土深29.1cm,最大冻深42 cm,属季节性冻土,地下水埋深15m。原渠道为梯形预制板防渗,纵坡1/3000,由于渠道纵坡较缓,再加上渠水含沙量较大(10kg/),渠道仅能过0.15 m3/s流量,每年清淤需耗费大量人力和财力,给工程管理带来极大不便,造成农作物得不到适时灌溉,严重挫伤了群众用水的积极性。

2005年11月~2006年6月份,完成了该渠8.5km的D160、 D100 “U”型改造,渠道水利要素:D160为渠深1.3~1.1m,口宽1.33~1.98 m,流速0.8 m/s,衬砌厚度7cm,纵坡为1/800~1/1500,设计流量1.27 m3/s,;D100为渠深0.9m,口宽1.23m,流速0.76 m/s,衬砌厚度7cm,纵坡为1/800~1/1500;设计流量0.62m3/s。

施工工艺:同上。

该渠改造后,无论输水能力、灌溉面积和抗冻害能力、耐久性都有明显提高。2006配水37.79万方,灌溉面积5000亩,随后几年一直居增不减,产生了较好的经济效益和社会效益。由于渠道断面、纵坡设计合理,流速在不冲和不淤流速之间,防渗防冻胀效果明效明显提高。改造完成至今已过5个年头,渠道仍完好无损。

四、防渗防冻胀技术措施应用的体会和经验

防渗防冻胀技术措施在本地区灌区节水改造中显得尤为重要,若不能采取有效防冻措施,遇到严寒季节运行,必然引起防渗渠道的损坏。比如,2009年11份七干渠防渗板冻坏就是一例。七干渠总长740m,其中为高填方渠段500m。经过多年运行(1994年建成),渠道淤积严重,高水位运行,渠堤防渗压顶下沉,伸缩缝沥青砂浆剥落,渠水渗漏,另外压顶板不均匀沉陷,与渠床回填土不能很好结合,雨水灌渗,板后淘空。2009年11份,我市遭受到50年一遇的极端寒冷天气。在向海鑫集团供水中,渠道基土中含水量比较高,在冬季负温作用下,土壤中的水分发生冻结而造成土体膨胀,使衬砌体开裂,隆起而折断冻结膨胀,造成多处阴坡上部防渗板折坏、塌陷。为了不影响今年上水,我局立即对破损部分进行了修复,板后夯填土,破损处拆除重新浇筑砼,渠坡衬砌体顶部做好封顶,不被雨水灌入。采取以上措施后,保证了今年供水生产。

在渠道设计中,要严格按照《渠道工程抗冻胀设计规范》(SL23—91)进行抗冻胀验算,根据不同地区气候特点、自然条件、土质,经过技术经济比较,采用合理的防渗防冻胀技术措施;针对渠道不同的部位(阴坡、阳坡,坡顶、坡底)受冻程度不同分别采取相应措施。实践证明,根据工程具体条件,从渠系规划布置,渠床处理,排水,保温、衬砌的结构型式、材料、施工质量、管理维修等方面着手,全面考虑,采取适宜的防冻害措施,能有效地防止防渗工程的冻胀破坏。

采取适宜的削弱冻胀的措施,将渠床基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许变位范围内,达到保护渠道的目的。

1、防渗(隔水)、排水

防止渠水和渠堤水的地表水入渗,隔断水分对冻层的补给,以及排除地下水,是防止地基土冻胀的根本措施。

(1)防止渠水渗漏:防止衬砌体的伸缩缝或结构缝漏水,填缝采用聚氯乙烯胶泥,性能较好,基本上能满足工程要求,但造价较高,可适当采用。

(2)为防止渠堤上的地面径流入渗,需作好沿渠的防洪、排水工程(如截、排水沟,纳水口等),另外渠坡衬砌体顶部应做好封顶,以防来水浸入板后。

(3)隔断水分对冻结层的补给。采用塑料膜,油毡,人造橡胶膜等膜料,设置隔水层,隔断渠道渗水,大气降水和地下水对冻结层的补给,使渠基土的含水量低于起始冻胀含水量,从而削减或消除冻胀。一般是设置深浅两层封闭层隔膜,中填当地夯实土,填土厚应等于设计冻深,上层隔膜与衬砌体之间应设置过渡层。

2、压实

压实法可使土的干密度增加,孔隙率降低,透水性减弱。密度较高的压实土冻结时,具有阻碍水分迁移,聚集,从而削减甚至消除冻胀的能力。因此,可以通过渠床的压实处理,来达到防止冻害的目的。

就湿陷性黄土区的渠床而言,常采用泡水一翻松压实法。方法是:先放水浸泡,使土层逐步湿陷,而又不会发生过大的冲刷、崩塌,并对湿陷产生的洞穴及时回填,这样反复多次,再逐渐加大注水量,直到不产生湿陷为止。然后,凉干已基本稳定了的土基,使土壤含水量利于夯实。最后用适宜含水量的黄土或灰土回填。并逐层夯实。

3、隔热保温

将隔热保温材料(如炉渣、石腊渣、沥青草、泡沫水泥,玻璃纤维,聚苯乙烯泡沫板等)布设在衬砌体背后及地表面,以减轻或消除寒冷因素,并可减少置换深度,隔断下层土的水分补给,从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。一般在采用其他防冻办法不经济或到一些特殊地段时才采用。

4、化学处理

利用化学材料注入或埋入渠床基土中,使土中水的冰点降低或者增强土的憎水性,使冻结时不会发生(或很少发生)水分迁移现象,从而大大减轻或消除冻胀。常用的有食盐、氯化钙、氯化镁等。化学处理的耐久性较低,所需费用较大,尚在进一步研究中。

5、置换

在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土换成非冻胀性材料(纯净的砂砾、砂卵石及中、粗砂)的一种方法。通常又称铺设砂砾石垫层。砂砾石垫层不仅本身无冻胀,而且能排除渗水和阻止下卧层水分向表层冻结区迁移。所以它能有效地减少冻胀,防止冻害现象的发生。

置换法虽然能有效地防止衬砌板的冻胀,但由于一般灌区的内砂砾石料极缺,垫层工程量大,造价高,衬砌施工不便,所以除地下水位较高的渠段和砂砾石料丰富的地区可采用外,一般很少采用。

6、优化结构

在设计渠道断面和衬砌时采用合理的形式和尺寸,使其具有消减适应或回避冻胀的能力,常用的有梯形,弧形坡脚梯形、弧形、矩形和U型等,还有浆砌石弧形渠底,混凝土板砌渠坡等综合形式,也有的矩形渠,底为反拱砌石,两侧为预制空箱内填砂砾石的挡墙形式。

五、存在问题及建议

1、我国地域辽阔,各地气候条件相差较大,渠道防冻胀目前无统一的防冻胀标准。应根据不同地区的气候条件进行分区,如:温带地区、寒冷地区、严寒地区,归属不同的防冻胀等级。根据不同的防冻胀等级,制定不同的防冻胀措施。在渠道设计中,执行防冻胀设防标准,规范渠道防冻胀设计。

2、加大渠道防冻胀技术应用宣传力度,不论在设计、施工和运行管理中,都要引入渠道防冻胀技术,延长渠道使用寿命。

3、要像建筑节能设计一样,北方灌区在渠设计必须有防冻胀设计,进行经济技术比较,选择节约投资,效果较好的防冻胀设计方案。

4、成立专门机构,从事渠道防冻胀技术研究。