兵团农十师北屯灌区渠道防渗防 ...

一、灌区概况

1、灌区位置

新疆农十师北屯灌区位于新疆阿勒泰地区福海县境内,东起农十师双渠镇(187团),西临布伦托海,南到乌里品包塔玛依,北至额尔齐斯河南岸,地理坐标为北纬47°05′~47°27′,东经87°31′~88°03′。灌区东西长42km,南北最大宽度30km,拥有行政区划土地总面积115.65万亩,其中可垦宜农林地80.60万亩,灌区设计灌溉面积78万亩,总灌溉面积68.25万亩,养殖水面4.16万亩。

2、气象水文

农十师北屯气象站是距北屯灌区最近的气象站,现以农十师北屯气象站观测资料说明该灌区的气象特征:

①多年平均气温为3.90C,最热月7月的平均气温为22.90C,最冷月1月的平均气温为-18.20C,历年极端最高气温39.70C(1965年7月27日),极端最低气温-43.70C(1984年12月17日);

②多年平均降水量99.5mm,历年最大、最小年降水量分别为178.8 mm(1984年)、50.1 mm(1974年);

③多年平均蒸发量1868.6mm(ф=20cm蒸发皿), 年最大、最小年蒸发量分别为2249.2 mm(1974年)、1643.5 mm(1988年);

④多年平均积雪厚5-10mm;最大冻土深度1.81m;水面最大结冰厚1.0m;

⑤多年平均日照时数2850小时;多年平均无霜期142天;

⑥多年平均风速3.2m/s,以西北风居多,最大风速22.6m/s,主要灾害性气候:大风、干热风、低温、冻害、冰雹。

北屯灌区的全部用水完全依赖额尔齐斯河,额尔齐斯河是中国唯一注入北冰洋的外流河,在我国境内长为546km,流域面积5.7万km2。北屯灌区地处额河中上游段,通过北屯灌区段长度是55km。灌区分布在额尔齐斯河二级阶地上,根据调查,灌区地下水在灌溉季节埋深为0.50~1.00m,冬季地下水埋深1.5m左右。引起灌区浅水层水位变化的主要原因,是灌区内部分渠道未做防渗处理,灌溉季节渠道入渗,造成大量灌溉用水补给地下水,受第三纪泥岩的顶托,地下水位迅速上升。

3、地质地貌

北屯灌区位于额尔齐斯河南岸的二级阶地上,地势东高西低,南高北低,全局看是东南向西北倾斜,地面坡降1/200~1/700,海拔高程500.00~560.00m,大区平坦,小区起伏,垦区的大小洼坑星罗棋布,灌区土质属于额尔齐斯河冲积物,由于长期处于剥蚀过程中,西北风不断吹走表层松散物质,造成地表组成物较粗,大多为砾质砂壤、轻壤土,耕层浅,一般为25~45cm,以下为卵石、粗砂层,透水性强,保水、保肥能力差。

4、社会经济状况

北屯灌区地处阿勒泰地区经济核心区中部,国道216线和省道318线交叉通过灌区,为阿勒泰地区交通枢纽,其自然地理位置具有一定优势,同时经济上也有一定的辐射力。

北屯灌区包括农十师一八七团、一八八团二个团场及师部北屯镇和地方切尔克齐乡,总人口3.47万人,其中农业人口2.33万人,占农十师总人口的38.0%。

根据农十师2009年统计提要,北屯灌区2009年实灌面积49万亩,其中耕地42.11万亩,林地6.89万亩,有效灌溉面积40万亩。2009年灌区粮食播种面积2.93万亩,产量11406吨;经济作物面积29.37万亩,其它作物面积7.7万亩。农十师北屯灌区2009年工农业总产值14800万元(当年价),占全师的28.20%,在农十师经济建设中占有重要地位,其经济发展潜力巨大。2009年农业总产值为10674万元(当年价),占全师的28.74%。北屯灌区近几年为适应市场变化,逐年调整农业种植结构,增加经济作物的种植比例,同时结合灌区续建配套与节水改造,使灌区农业生产产生明显效益。

5、渠道防渗工程现状

北屯灌区是新疆生产建设兵团最北部的大型灌区,对屯垦戍边具有战略作用,但灌区气候、土壤等自然条件差,灌溉用水来源单一且不稳定,这一切都要求要加强灌区水利设施的改扩建,进一步加大对北屯灌区水土资源开发的力度,发挥规模效益。

北屯灌区现已形成了以总干渠、干渠、支渠、斗渠为主,农渠、毛渠为辅的六级渠道灌溉体系,目前灌区内的总干渠、干渠(冬季运行的除外)多数已做了防渗改造,部分支渠、斗渠正在防渗改造中。由于灌区地处欧亚大陆腹地,冬季漫长而寒冷,渠系工程最主要的病害是冻胀破坏,为此,灌区在改造渠道时首先要考虑防冻胀问题。

2001年在水利部的大力支持下,大型灌区(北屯灌区)续建配套与节水改造项目工程正式启动,北屯灌区的场外骨干渠道总干渠、二干渠、三干渠、南关水库引水渠得以改建配套。续建配套工程项目多为旧渠改造工程,在原渠基上改扩建和铺设渠道防渗体,防渗形式主要有四种,分别为塑膜单防(总干渠13+950-16+580段)、塑膜现浇混凝土衬砌双防(总干渠16+580-28+007段)、预制混凝土板与塑膜双层防(二干渠、南关水库引水渠)、预制单防和雷达诺护垫护底(三干渠)。

二、灌区渠道防渗防冻胀技术措施应用情况

决定冻胀程度的三要素——地下水存在的特征、基土含水量和土壤特性在北屯灌区的骨干渠道工程中都不同程度地存在。反映土壤结构关系的土壤颗粒的组成、物理性能指标、水分特征,是促成北屯灌区渠道基土冻胀的内因,长时间的持续低温是促进灌区基土冻胀的外因,内、外因的同时存在,必然产生渠道衬砌体冻胀破坏的现象。

造成渠床基土冻胀的三个基本因素是相互联系的,缺少其中任一因素,则渠床基土土体都不会产生冻胀或冻胀变形,减少或削弱其中任一因素,也会达到减轻冻胀破坏的效果。

农十师水管处为防止渠道衬砌体的冻胀,从三个基本因素土、水、温着手,因地制宜,针对不同情况,采取合理的防冻胀措施,针对渠底部位出现的泥岩,将渠底预制砼板防渗型式改为柔性防护型式,即雷诺石笼护垫型式。(镀锌双绞合低碳钢丝网格雷诺护垫);针对地下水位高影响施工进度和质量的情况,则采取暗管棱体排水、排水沟、排水管、排水涵管等形式多样的排水法;若遇渠段中有低液限粘质土---冻胀土出露,解决的方法采取就地取材,把渠床冻结深度以内的冻胀土壤更换为非冻胀土,如沙砾料;为了控制砼冻胀蔓延,降低砼渠道的冻胀维修成本,推广应用间隔梁,人为的分割成多个小单元块,达到减轻冻胀破坏的效果。

采取防冻胀措施后渠道运行状况明显好于无防冻胀措施的渠道,由于防冻胀破坏措施的采用,保护了工程,冻胀量得到大幅度削减,减少了工程由于自然冻融而形成的破坏,保证了灌溉工程的正常运行,提高了灌溉效益。其效果主要表现在如下几方面:

(1)冻胀破坏的程度明显较轻,渠道破坏的面积较小,所需的工程维修费用少。

(2)防冻胀技术的采用,优化了渠道的受力结构,提高了渠道的抗冻、防渗能力,延长了工程的使用寿命,工程的使用寿命比较从前延长了2-3倍,节约重建费用1000-2000万元。

(3)为确保工农业全年的正常引、输、供,水管处渠道工程的维修一般安排在春灌前和秋灌后,春灌前的维修多数是因冻胀所引起的破坏,这段时间较短,工程多数属抢修,但采取抗冻胀技术的渠道,因为破坏程度轻,维修面积小,有效的节约了时间,确保了农业灌溉的及时供水。

三、典型渠道(渠段)防渗防冻胀技术措施案例分析

北屯灌区引水总干渠和三干渠是灌区内骨干渠道中长度较长的渠道,渠道在分年度续建配套与改造中,由于工程地质条件、防渗形式的不同,所采取的防渗防冻胀技术措施也各有所不同,现将引水总干渠和三干渠作为北屯灌区典型渠道进行如下分析:

1、北屯灌区引水总干渠

总干渠工程属北屯灌区骨干水利工程,全长28.007公里,从额尔齐斯河拟建的角萨特水利枢纽处引水,该工程为2001年度北屯灌区续建配套与节水改造的国债项目,总投资1257.18万元。工程可分为三段:第一段0+000-13+950结构设计为均质土渠,为旧渠(老二干渠)扩建段,设计流量45m3/s;第二段(13+950-16+580)2.63km,向二级电站及下游输水,结构设计为塑膜单防渠道,设计流量25m3/s;第三段(16+580-28+007)11.427km,向三干渠及三级电站分水,结构设计为塑膜现浇砼衬砌双防渠道,设计流量13m3/s,此段为新建段。工程沿线各类建筑物40座,其中分水枢纽两座,分别位于13+950和16+580处,桥11座,涵18座、闸6座、渡槽4座,跌水1座。工程于2003年竣工使用,现在防渗渠道完好率为90%。

① 暗管棱体排水法

受新疆气候条件的影响,总干渠工程施工期在四月初到十月底之间,而这段时间正是农业灌溉需水季节,地下水位高的问题影响着施工进度和质量。农十师建管局在管理当中就此问题因地制宜,分别采用了如下工程应用技术:

A、2001年总干渠工程在地下水位较高的渠段,遇到渠坡和渠底大量侧向与垂直渗水,导致铺设塑膜后,渗水因塑膜阻碍而无导渗出路,同时对于塑膜之上的混凝土板产生较大的渗流压力,最后导致边板、底板都被顶起,成为废板。不仅延误工期,而且使一些混凝土边板长期浸泡于水中,既无法保证质量又加大工程投资。

针对此问题解决的方法是:先在该渠段的渠侧底部铺设一条顶部稍高于底板的砾石排水棱体,将各渗水点连通起来,再沿渠道每隔一定距离在排水棱体中水平插入一根长约1m钻有梅花孔的排水钢管,然后再铺设塑膜、浇筑砼板。通过这种排水措施,渗水通过砾石棱体集中从管子流出,快速降低了地下水位,减少了地下水顶托压力。既能正常进行铺设现浇砼的施工程序,又解决了砼板块顶起和冻胀的问题,从而保证了边板与底板的质量,方法简单实用。

B、总干渠第二分水枢纽是为北屯灌区总干渠及二级电站引水渠分水而设置的。节制闸设计流量13m3/s,二级电站分水闸设计流量123/s,两闸中心线夹角45°。节制闸上下游水位差5.06m,分水闸上下游水位差4.19m。枢纽建成后,在运行过程中发现,节制闸下游消力池北面的挡水墙及边墩,出现渗水现象,根据现场分析,是由于两闸消力池高差达2.15m,电站消力池水位高程已超过节制闸消力池顶面(即渠顶高程),由于两消力池水位相差较大,在闸基及边墩和下游翼墙的背水一侧产生渗水出露地表,流量约为20 m3/s,严重威胁闸室的稳定及两岸翼墙和边墩的稳定性。经过一个冬季的运行,发现已对构筑物产生冻胀破坏,渗流还可能引起地基的渗透变形。经分析研究,决定采用“地下暗管棱体排水法”来解决这一问题。

在电站分水闸后消力池与节制闸后消力池之间,顺地基渗流方向埋设一条直径为Ф100cm的横向卵砾石排水棱体,并在排水棱体的外侧设置反滤层,排水棱体的埋设深度在节制闸后消力池边墙顶高程以下2.5m;沿节制闸后消力池挡土墙背,顺渠道纵向埋设一根直径Ф200mm、孔隙率为40%、长度为20m的厚壁PE排水滤管,并与排水棱体连通。在排水滤管的末端再连接一根长度为119m的Ф200mmPVC管,将渗流直接导入下游排水渠。经多年运行实践证明,节制闸后消力池边墙一侧翼再无渗水出露,冬季也无冻胀破坏现象,说明效果良好,保证了建筑物的安全运行。该方法简便,投资少,易施工,见效快,效果好。

② 置换法(换土法)

根据北屯灌区总干渠沿线工程地质调查及试验资料显示,总干渠大部分渠段为第四纪——砂砾石覆盖物,其粗粒土中粒径小于0.05mm的土粒重量占土样总重量的6%以下,为非冻胀性土。在渠道部分渠段中有泥岩出露,根据分析此处泥岩属低液限粘质土,依据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23-91),此类土属冻胀土。冻胀性土壤的存在是导致渠床基土冻胀的首要因素,解决的方法就是把渠床冻结深度以内的冻胀土壤更换为非冻胀土,如沙砾料。根据置换法的原理进行置换后,取得了较好的效果。

③ 排水管、排水沟的应用

总干渠现浇混凝土加塑膜双防的渠段,沿线部分渠段的地下水位明显高于渠底,由于防渗采取的是双防形式,致使地下水没有排水通道,若不及时排出,冻胀问题将会十分突出,在工期短、任务重、投资不能增加的情况下,建管局领导果断决定,在总干渠渠内坡堤脚加排水管形式,把渠底的地下水由排水管导出渠床,来降低地下水位,防止冻胀,该措施大大的降低该段冻胀破坏的程度。

在部分全挖方渠段处,则采取增设排水沟,降低地下水位和基土含水量,把渠床冻结层中的重力水或渠道旁渗水排出渠处,汇积入沟,有效解决了北屯灌区地下水位较高渠段的冻胀破坏问题。

已运行七年的总干渠

2、北屯灌区三干渠

三干渠修建于1959年,全长20.2km,是北屯灌区的骨干水利工程之一,控制耕地面积11.24万亩。三干渠从引水总干渠末分水枢纽处分水,最终投入188团五支渠,进入场内,设计引水流量10m3/s,其中发电用水5m3/s。

该渠同属北屯灌区续建配套与节水改造项目,因该渠渠线较长,分2004年、2005年、2006年、2008年四个年度分段实施,其中2004年已完成计划防渗改造长度3.8 km,工程总投资400万元;2005年度已完成计划防渗改造长度7.4 km,工程总投资749万元; 2006年度计划防渗改造长度5.2km,截止2007年底,已完成2.1 km,工程总投资577.3万元;2008年工程总投资600万元,累计投资 2326.3万元。

① 雷诺护垫的应用

北屯灌区2004年度三干渠工程,原渠底设计方案的防渗型式为预制砼板护砌,由于工程建设于五月份开始施工,正值农业灌溉高峰期,地下水位较高,且渠底部位开挖出泥岩。后经建设方专家分析,为适应变形、冻涨和防止冲刷等,将渠底预制砼板防渗型式改为柔性防护型式,即雷诺石笼护垫型式 (镀锌双绞合低碳钢丝网格雷诺护垫), 该产品是引进意大利生产工艺由中外合资生产的一种新镀锌合金产品,能在水中20年不生锈,内装卵石,有很好的透水性,能防止冻胀。工程于当年十月完工,次年投入使用,通过几年的运行观察,雷诺护垫的应用很好地解决了北方地区冬季渠系渠底鼓包、冻涨、变形问题,便于季节性施工,无需维修。

防冻胀材料——雷诺护垫

雷诺护垫铺设后运行至今的三干渠

② 间隔梁法

冻胀是灌区渠道遭受破坏的主要原因,这与灌区普遍进行秋灌有直接关系,特别是骨干渠道沿线的地下水位有时甚至高于渠底,致使冻胀量过大,针对此情况,农十师建管局领导提出根据渠道纵坡坡降的不同,每隔10米或20米在砼双防渠道之间增设一间隔梁。这使连成一整体的砼,被人为的分割成多个小单元块,从而起到了控制砼冻胀蔓延的作用,还达到了防冲的目的。间隔梁的应用,大大降低了砼渠道的冻胀维修成本。后在北屯灌区的二干、三干渠中得以广泛推广运用。

③ 排水涵管的应用

北屯灌区三干渠0+000至16+760段位于排碱渠右侧,该排碱渠原为五十年代的老三干渠,排渠与三干渠之间共用一个渠堤,属两渠三堤。在农业灌溉期后,排渠内水位明显偏高,若不及时排水,必将引起三干渠左侧渠堤土壤含水量增大,进入冬季后,土体中的含水不能有效的排出,从而造成冻胀破坏。为解决此问题,分别采取在9+400、13+300、16+400处采取渠底埋设ф75cm的排水涵管,将排渠内的积水及时由排水涵管排入渠道边的一个自然大洼地,避免三干渠左侧渠堤土壤含水量增大。通过几年的运行,来年春季未发生冻胀破坏。通过埋设排水涵管,有效解决了此段渠道的防冻胀问题。

四、防渗防冻胀技术措施应用的体会和经验

农十师水管处为防止渠道衬砌体的冻胀,采取了工程措施与管理措施并重的方法,在工程措施上,从土、水、温三个方面着手,通过防冻胀经济效果的比较,采取合理的防冻胀措施;管理措施则从把好施工质量关和加强运行管理方面,保证渠道衬砌质量,完善渠道运管理制度,及时维修工程,防止冻胀恶性发展。

1、严把施工质量关

施工质量的好坏,直接关系到混凝土板的防渗效果和耐久性,因此在施工建设期间,农十师建管局为进一步确保施工质量,采取了如下几方面的管理措施:

①为了建立、完善全过程的质量保证体系,确保工程质量,对每一项工程都制定了明确的质量目标和质量改进计划,并将具体的目标任务落实到有关部门和个人,建立健全了各级参建人员的质量责任制和保证质量的各项管理制度,并经常组织质量管理小组围绕质量目标开展质量改进活动。项目法人组建各单项工程技术组与监理同时进驻工地,对工程实施全面系统的管理,各道工序按报验程序严格把关。

②为保证施工质量和工期,要求施工单位成立由主要领导为负责人的施工指挥机构,并在施工现场设置项目部,落实管理人员层层责任制,制定奖惩办法,明确企业主管领导为施工第一责任人,项目经理为现场第一责任人。

③由于项目多是旧渠改建,施工工期较短,为使工程顺利完工,确保农业用水不受影响,建管局在施工第一现场设立建管站,建管站人员分别由建设、监理、设计等各方专职代表组成,吃住在工地,责任落实到个人,各负其责,以便能够及时解决在施工过程中出现的各种问题。实践证明建管站在施工过程中充分发挥了核心指导作用,提高了工作效率,加快了工程进度,确保了工程质量。

④开展质量大检查活动是提高质量意识、促进质量全面提高的有力手段。在建设过程中,由建管局组织各有关部门参加,定期对工程质量实行“联检”,对施工单位进行量化打分,评选出施工质量好,进度快的单位,进行奖励,对施工质量差,严重影响工程进度的单位进行通报批评或罚款,使施工单位的质量意识大大提高,并通过互相观摩、互相学习,达到了交流经验、取长补短以共同提高的目的。

2、加强运行管理

① 春、秋灌时间的调控

合理确定每年冬前停灌和开春灌溉的时间,对防止渠道冻胀至关重要,水管处根据北屯灌区的实际情况,冬前停灌时间选在11月上旬,开春灌溉时间在4月初为宜。

② 渠道的检查

渠道及其建筑物检查观察是掌握工程动态,保证工程安全运用的一个重要手段,不仅是制定维修养护方案的基础,也是渠道工程技术管理的重要任务。

水管处的渠道工程检查分为经常检查、定期检查、特别检查。

定期检查是每年放水前、停水后由灌溉科协同工程科相关人员,对渠道工程的渠顶、渠坡、渠底进行全面检查,重点检查渠道工程的裂缝、冲刷、隆起、冻胀等变化损坏情况,并及时采取措施进行维修,以确保渠道的正常行水。

③ 渠道的及时维修

冻胀现象往往一年比一年严重,不及时治理,将导致渠道更为严重的破坏,水管处的维修遵循“重伤不拖延,轻伤不放过,合理安排、逐步解决”的原则进行。在大型灌区未续建配套以前,工程维修分为经常性维修养护和大修,自2001年至今,大型灌区的渠道工程逐年得到了配套,渠道的维修由侧重于经常性维修养护,工程的维修主要是根据经常性检查发现的冻胀缺陷和问题,进行日常保养维护和局部修补。

五、存在的问题及建议

1、存在的问题

① 存在施工期与灌溉期相重叠的矛盾

因大部分工程为改建工程,季节性较强,施工必须在不影响农作物用水和停止用水后进行,工期紧、任务重、投资有限,加之北屯地区上冻较早,每年有较长的寒冷季节,混凝土防渗渠道在施工中虽然采取了一定的防冻措施,冻融破坏虽有所减轻,但是衬砌防渗渠道仍会发生不同程度的冻胀破坏。

② 秋灌导致土壤含水量增加

北屯灌区所辖的三个团场一般约在十一月上旬进行秋灌和浇灌林带,这会自内补给增加基土含水量,若遇上冻期提前的年份,对衬砌防渗渠道极为不利。

③ 防冻胀的方法和技术尚需进一步探索提高

北屯灌区虽根据自己实际情况他经济实力,采取了防止基土冻胀的方法,但每一种方法都不是也不可能是十全十美,冻胀措施的采取也不是一劳永逸的。

2、建议

① 渠旁植柳

柳树根系发达,呈须根网状盘结,可使其土成为非冻胀纤维土,同时,根须还可吸收土体中的水分和阻断土壤毛细管水上升通道,降低基土含水量。

② 尝试应用新的防冻胀技术

今后灌区的渠道可从渠道的设计、施工中尝试应用其它省份防冻胀的成功经验,从渠道的防渗形式、断面形式、抗冻材料的选择上进一步优化,并可与科研单位合作,使渠道防冻胀应用技术得到进一步完善和提高,使之能够在更大范围内得到推广和应用。

建议国家对西北边陲的水利工程建设力度进一步加大,恳请国家专门就灌区冻胀问题适当增加投资数额,以便于工程防冻胀措施的选择和落实。根据北屯灌区多年来运行的经验,衬砌形式建议采取高标准的单防形式。

③ 逐步建立系统化的运行管理制度

运用科学的手段进一步加强管理和维护,并在不断总结经验的基础上,逐步建立一整套系统化行之有效的运行管理制度。

④ 因地制宜地确定设计方案

由于渠道冻胀受到多种因素的作用,而这些因素的分布随着地区的不同变化很大,因而不可能在一个适用于各种条件的万能方案,而应根据各个灌区各条渠道的气象、土壤、水文地质、建材等不同条件,选择冻胀方案,即使对同一渠道工程,由于沿线条件变化很大,也应对渠道划段落,根据阴、阳坡面的冻胀情况,分别确定其防冻方案。

链接:雷诺护垫在兵团农十师北屯灌区三干渠防冻胀中的应用