山东簸箕李引黄灌区渠道防渗防 ...

一、灌区概况

1、地理位置

簸箕李灌区位于山东省北部,黄河下游左岸,黄河三角洲腹地。南起黄河,北以漳卫新河为界,与河北省海兴县隔河相望,东与白龙湾、小开河灌区相邻,西与济南、德州市接壤;地理坐标为东经117°14′37″~117°58′44″,北纬37°07′41″~38°14′57″,南北长130公里,东西平均宽17公里,总面积2243平方公里。灌区涉及惠民、阳信、无棣三县,24个乡镇,总人口102.8万人。

2、水文气象

灌区属于华北半干旱季风气候区,冬春干旱多风,夏季炎热多雨,年平均气温12℃,一月份气温最低,平均-4℃,七月份最高,平均26℃,历史最高气温41℃。历史最大风速35.5m/s,最大风力8~9级。降雨量年内分配不均,年际变化较大,灌区内多年(1952-2008年系列)平均降雨量561毫米,其中汛期444毫米,占全年降雨量的79.14%,年最大降雨量1112.4毫米(1964年),年最小降雨量为258.5毫米(2002年),年平均日照时数2250小时,年平均蒸发量1195.1毫米,无霜期215天,年平均干旱240天。由于年降雨分配不均匀和春季强烈蒸发形成“春旱、夏涝、晚秋又旱”的特点。

3、地质地貌

灌区地处黄河冲积平原,地势平坦,坡度较缓,自然地形是西南高,东北低;地面坡度1/5000~1/15000。地面高程自渠首至下游沿海为18.6~6.1米(56年黄海高程系,下同),受黄河决口冲溜和古河道变迁的影响,地貌呈岗、坡、洼相间,呈微地貌差异。地貌类型主要有:河滩高地、决口扇形地、沙质河槽地、缓平坡地、河间浅平洼地和背河槽状洼地六大类型。

灌区土壤多为潮土,表层土壤质地大致可分为:砂土、砂壤土、粘壤土和粘土四类。分布区域是:徒骇河以南多为砂土;徒骇河至勾盘河除洼地为粘土外,其余大部分为砂壤土;勾盘河至青坡沟多系粘壤土;青坡沟以北大部分为粘土。

4、社会经济状况

簸箕李引黄灌区地处国家重点开发建设的黄河三角州地区的腹地,是滨州地区乃至山东省的重要粮棉生产基地之一。涉及惠民、阳信、无棣三县和德州市庆云县23个乡镇,根据2007年统计资料,工业总产值70.35亿元,总人口102.8万人,其中城镇人口8.1万人,农村人口94.7万人,农村劳动力61.1万人,人均耕地2.06亩;农业总产值35.8亿元,农民人均纯收入3667元。

灌区的社会生产以农业为主,牧、副、渔及乡镇企业也逐步成为灌区新的经济增长点,灌区土地资源和劳动力资源丰富,交通发达,为灌区的可持续发展提供了有利条件。引黄事业的发展,促进了灌区农业的发展,粮棉产量逐年提高,灌区各县经济发展较快。随着环渤海经济区的发展和我省环济南市圈的建设,经济格局发生了极大的变化,也为灌区的发展带来了十分难得的机遇,灌区的发展潜力巨大。

5、渠道防渗工程现状

簸箕李灌区近几年来围绕建设“节水型、生态型、科技型、服务型、效益型”五型灌区的目标,抓住国家对大型灌区实施续建配套与节水改造的机遇,大力实施节水改造,取得了显著成效。自2005年被列为国家第二批大型灌区节水改造项目以来,累计完成干级渠道衬砌18.5公里、改造配套建筑物65座、渠道绿化35公里等。目前灌区内干渠4条总长度159.7公里,已防渗33.82公里,防渗率21%;支渠134条,总长997.5公里,尚未衬砌。灌区节水改造工程的实施运用,实现了节水增效,减少了渠道淤积,改善了灌区生态环境。

二、灌区渠道防渗防冻胀技术措施应用情况

簸箕李灌区干级渠道防渗率低,渠道渗漏严重,输水速度慢,用水效率低,已衬砌渠段由于冻胀影响,普遍存在混凝土板破损现象和渠道冻胀断面变形现象,影响渠道输水能力。

1、总干渠上游段

总干渠上游段总长35km,衬砌10km,防渗率28%,完好率90%。断面形式为梯形,防渗方式是全断面防渗、边坡衬砌。渠坡采用预制混凝土板下铺复合土工膜,规格为一布一膜,布200g/m2,膜厚0.2mm。渠底为塑膜防渗,薄膜厚度0.2mm,设在渠底以下0.6m。该渠段于2006、2007年秋冬季衬砌,至今运行稳定良好。

2、总干渠下游段

总干渠下游段总长14.9km,衬砌14.9 km,防渗率100%。断面形式为梯形,防渗方式是全断面防渗、边坡衬砌。渠坡采用预制混凝土板下铺塑膜,渠底为塑膜防渗。该渠段于1990年衬砌,渠坡稳定,然而渠底塑膜损坏较为严重。

3、一干渠

一干渠总长42.7km,衬砌0.4 km,防渗率1%。断面形式为梯形,防渗方式是半断面衬砌,渠坡采用预制混凝土板下铺复合土工布(一布一膜)。该段渠道于2005年衬砌,至今运行稳定良好。

3、二干渠

二干渠总长66 km,衬砌8.2 km,防渗率12%,完好率95%。断面形式为梯形,防渗方式是半断面衬砌,渠坡采用预制混凝土板下铺土工布(一布)。该段渠道于2008、2009年衬砌,总体运行稳定良好,仅局部渠段出现变形隆起冻胀破坏及坍塌等现象。

三、典型渠道防渗防冻胀技术措施

1、总干渠上游段防渗工程

灌区属于华北暖湿半干旱季风性气候区,冬季寒冷而漫长,一月份平均气温-4℃,极端最低气温为-22℃,最大冻土深0.54m。地质条件为: 总干渠上游段土质较差,为沙土。防渗工程全长9.1km,设计流量70m3/s。断面形式为梯形,底宽34.0m、渠底比降1/7000、衬砌高度2.86m,边坡1:2。防渗方式是全断面防渗、边坡衬砌。渠坡采用预制混凝土板下铺复合土工膜,规格为一布一膜,布200g/m2,膜厚0.2mm。为满足砼板适应冻胀变化,且方便施工,经计算确定标准砼板尺寸为58*38*6cm,错缝半板27*38*6cm。砼板标号采用C20、W8、F100。渠底采用塑料薄膜防渗,塑膜厚度0.2mm,设在渠底以下0.6m。齿墙:为保证边坡护板稳定,且防止坡脚冲刷,在渠底坡脚处设齿墙,顶宽40cm,底宽60cm,深60cm,其中顶部为现浇C15砼齿墙冒厚度15cm,其他为M10浆砌片石。结构缝及伸缩缝:为避免因温度应变引起砌体破坏,纵横向均设伸缩缝,顺渠向每隔12.4m设一道横向伸缩缝,,顺坡向在渠坡1/3渠深处设一道纵向伸缩缝,伸缩缝宽度为4cm,下部充填4×4cm 的预制塑料胶泥,顶部用低标号水泥砂浆塞实抹平,达到防老化之目的;板间结构缝宽度4cm, C20细石砼填充,提浆抹平。封顶板:为防止雨水冲刷渠道内坡,在护坡顶部现浇60cm×15cm的C15砼封顶板。齿墙及封顶板顺渠向每12.4m设一道伸缩缝,缝宽度为2cm,以2cm厚沥青杉板填充。

渠道衬砌至今3年,整体运行状况良好,仅局部渠段出现变形隆起冻胀破坏现象。

2、二干渠防渗工程

二干渠土质较差,为沙壤土,地下水位较高(10.5m左右)。防渗工程全长8.2km,分两段:第一段4+093~8+193,设计流量40m3/s,);第二段23+119~27+247,设计流量35m3/s。采用半断面砼预制板衬砌(两坡),坡面砼板下铺设土工布。主要设计指标:底宽17.0m、渠底比降1/7000、衬砌高度2.80m,边坡1:2。为满足砼板适应冻胀变化,且方便施工,结合灌区已建工程经验确定标准砼板平面尺寸为58*38cm,错缝半板27*38cm,下部异型板平面尺寸为58*58cm。砼板厚度80mm。砼板标号采用C20、W8、F100。

由于该地区地下水位较高,基本接近设计水位,渠道渗漏量较小,故不进行防渗处理,但是该渠段土质较差,为方便施工预制板下铺设300g/m2的土工布。抗侧渗处理:边坡第二、三、四行间隔布置无砂砼预制板,无砂砼预制板下设砂石反滤层以利排水。齿墙:为保证边坡稳定,防止坡脚冲刷,渠底脚设C15现浇砼齿墙,宽40cm,深60cm。结构缝及伸缩缝:为避免因温度应变引起砌体破坏,顺渠向每隔9.92m设一道横向伸缩缝,伸缩缝宽度为4cm,下部充填4×6cm 的塑料胶泥条,顶部用M5水泥砂浆塞实抹平,达到防老化之目的;板间结构缝宽度4cm, C20细石砼填充。封顶板:为防止雨水冲刷渠道内坡,在护坡顶部现浇60cm×20cm的C15砼封顶板。齿墙及封顶板顺渠向每9.92m设一道伸缩缝,缝宽度为2cm,以2cm厚沥青杉板填充。渠段首尾边坡处,分别设有C15砼刺墙(40cm×60cm)一道。

4+093~8+193段渠道于2008年冬季衬砌,经过冬季放水运行后,该渠段坡面普遍存在变形“隆起”现象,轻重断续分布,总长约1200m。概括起来,变形“隆起”大致分为4种类型:1.底角处下四行板沿坡面法向“隆起”,结构缝开裂,相邻两板间形成折腰近似“平台”,已影响到日后安全放水;2.坡面中部或上部普遍存在变形“隆起”现象,只是凡底角“隆起”较重者而较轻,底角“隆起”较轻者而加重,一般变形“隆起”较均匀,仅有个别局部较为严重;3.坡顶第一块板下结构缝存在“开裂”现象,有的还比较严重;4.封顶板板下存在变形“开口”现象;封顶板内侧1/2有挤压“碎裂”现象;封顶板外侧与堤坝结合处有“裂隙”现象。

四、衬砌段变形隆起及坍塌原因分析

热胀加冻胀,是变形凸起的主要原因。降雨量大、渠床土质差是衬砌渠坡坍塌的主要原因。当然也存在着施工和设计因素:

1、施工中回填造坡或局部回填土含水量太大,加之地下水的影响;

2、坡面施工平整度;

3、封顶板伸缩缝不正规;

4、冬季施工加剧了砼坡面的热胀;

5、横向伸缩缝内有砼垫块,且大多为砂浆缝,起不到伸缩缝的作用;同时缝隙偏窄,不足以满足热胀的要求。

6、大气负温

灌区属于华北暖湿半干旱季风性气候区,冬季寒冷而漫长,一月份平均气温-4℃,极端最低气温为-22℃,最大冻土深0.54m。大气负温是造成混凝土渠道冻胀破坏的最基本的环境因素,大气负温越低,维持的时间越长,混凝土渠道的冻胀破坏就越严重。

7、渠床土质

总干渠为沙土,持水性能很差,属于非冻胀性土,混凝土衬砌板不会被冻坏;而二干渠土质为壤土和粘土,持水性能好,渠床土是冻胀性的,混凝土衬砌板就可能遭受冻胀破坏。

8、地下水埋深

二干渠地下水位较总干渠高,冬季气温下降产生强烈的冻胀,使护砌板遭受严重的冻胀破坏。而总干渠地下水位较低,只能产生很小的弱冻胀。

9、渠道运行方式

灌区一般都需要冬灌,为冬季输水的渠道,但输水时间短,停水后整个渠道发生冻结,产生冻胀破坏。

五、防渗防冻胀技术措施应用体会

针对本灌区渠道防渗抗冻工程设计、施工和管理的情况,对本灌区所采用的抗冻胀技术措施进行总结,其主要措施如下:

(一)设计

1、渠道的边坡不宜过陡,应考虑渠基自身的稳定和施工的要求。本灌区典型渠道边坡均为1:2。

2、混凝土的强度、抗渗、抗冻要满足要求。本灌区采用混凝土强度等级C20,抗冻等级F100,抗渗等级W8。

3、防渗结构采取混凝土板和防渗膜组合结构能有效的防渗和抗冲,即板下铺设土工膜。混凝土板厚根据渠道大小确定,总干渠60mm,二干渠80mm,防渗膜用素膜(总干渠下游段)或复合土工膜(总干渠上游段),厚度0.2mm。不进行防渗处理的渠段如二干渠采用板下铺设土工布。

4、砂石反滤层排水消除冻胀破坏

在地下水位较高的渠段,如二干渠,遇到渠道边坡和渠底大量渗水的情况,导致铺设塑膜后,渗水因塑膜阻碍而无导渗出路,这时塑膜和混凝土板将受到较大的渗透压力,导致边板和底板被顶起,成为废板。针对此问题解决的方法是:边坡第二、三、四行间隔布置无砂砼预制板,无砂砼预制板下设砂石反滤层以利排水。

(二)施工

施工时要保证施工质量,填方渠道土方质量是防渗工程的基础,也是防冻害的主要环节之一,渠基土要充分压实,垫层要铺均匀,塑料薄膜的接缝要牢固可靠,混凝土要震捣密实,填缝材料要饱满。

(三)运行管理

1、完善渠道运行管理制度,做好渠道日常养护、安全检查和维修工作,及时清除渠道中杂草、蚁穴、鼠洞等阻碍物,建立经常检查、定期检查和特别检查的检查制度,按照经常养护、随时维修、养重于修、修重于抢的原则,使渠道得到及时维修,保证使用。对产生冻胀破坏的渠段要及时维修,以免破坏现象蔓延。

2、冬季需要引水运行时,尽量使渠道满渠运行并设法使渠道中不结冰,这样可防止渠道冻胀。

3、在渠旁两侧设8~10m林带,可起生物排水作用,对降低地下水位、防治渠道冻害十分有利。总干渠下游段就是一个很好的例子。

六、存在问题及建议

1、由于渠道冻胀破坏的机理很复杂,影响因素多,以上措施和经验可能会有不准确和不完善之处,有待今后进一步修改补充。

2、有些措施虽然实践中已经取得了成功,但由于缺少理论分析,和实测数据的支持,也没有得出通用的计算公式,因此很难推广。比如边坡底部铺设的砂石反滤层,厚度到底取多少合适,也没有确定的数值,和合适的计算方法,这些都有待于今后进一步研究解决。