混凝土衬砌与土工膜铺设对渠道建设及运行的影响

2021-10-22 01:45魏淑卿马强荣德剑冯跃华

河南水利与南水北调 2021年8期

魏淑卿,马强,荣德剑，冯跃华

(河南省豫东水利工程管理局，河南开封 475002)

0 引言

水资源利用效率低下是造成中国水资源短缺的主要原因之一，在农业取水、输水、配水和田间灌溉全过程中，灌溉用水效率损失较大，因此，如何实现节水及提高输水能力对保障灌区下游用水至关重要。据中国灌溉排水发展中心统计分析，2018年全国灌溉用水有效利用系数为0.55；另外，为响应中央2008年1号文件提出的“实施粮食战略工程，集中力量建设一批基础条件好、生产水平高和调出量大的粮食核心产区”的号召，《河南粮食生产核心区建设规划(2008—2020年)》将赵口引黄灌区二期工程列为粮食核心区建设规划中重点建设的大型新建水利工程建设项目，并相继被列入国家172项节水供水重大水利工程、河南省“四水同治”十大重点水利工程。

1 工程概况

1.1 工程任务

赵口引黄灌区位于豫东平原，灌溉区域涉及豫东5市的10县3区，设计灌溉面积39.13万hm2。灌区以赵口总干渠～运粮河～涡河为界，涡河以西区域作为续建配套项目区(不含涡河柘城以西部分)，涡河以东(含涡河柘城以西部分)作为赵口二期项目区。

赵口引黄灌区二期工程设计灌溉面积14.70万hm2。工程主要任务是在现有工程基础上，通过新建、扩建、改建等措施，建设灌区灌排工程系统和配套工程，主要解决灌区农业灌溉用水需求，并兼顾为部分区域乡镇二三产业供水，同时提升区域水资源配置能力，改善区域水生态环境，为灌区经济社会高质量发展提供水资源支撑。

1.2 建设内容

赵口引黄灌区二期工程主要建设内容包括：总干渠、东二干渠等渠道31条，总长373.98 km；涡河故道等河(沟)道28条，总长262.57 km；各类建筑物1 035座。工程总投资38.88亿元。

1.3 工程布局

赵口引黄灌区二期工程从改造后的赵口引黄渠首闸引水，灌区上游以总干渠、东一干渠和东二干渠等形成以自灌为主的灌排网络，灌区中下游主要利用陈留分干、朱仙镇分干、幸福干渠等渠道输水灌溉，利用涡河、惠济河等天然渠道输水，利用现有河(沟)道修建拦河闸等对水量进行调蓄，灌排结合、井渠结合，实现河、渠交叉网络供水。

2 采用防渗减渗等节水措施的必要性

《国家粮食安全中长期规划纲要(2008—2020年)》指出，要实现全国新增 500 亿kg粮食生产能力的目标，对于黄淮海区要加强大中型灌区的渠道防渗建设，优化井渠结合灌溉模式，减少地下水超采，加快推广节水灌溉技术，提高水资源利用率。适度新建水源工程和新建灌区工程，以增加灌溉供水，发展农田有效灌溉面积。因此，工程渠道设计采用混凝土衬砌及铺设土工膜等防渗减渗措施，是对规划纲要中提出的推广节水灌溉技术，提高水资源利用率而采取的重要举措。

2.1 保证末端渠系引水需要

大型灌区渠系设置常常不限于干、支、斗、农、毛，会包含多个层级。一般总干设计流量较大，但经干渠、分干、支渠等多层分级后，支渠的设计流量会大大减少。赵口二期工程中总干设计流量为123.17 m3/s，但有的支渠设计流量仅有0.70 m3/s，且支渠控制灌溉面积≥1 333.33 hm2。为保证下游末端渠系达到设计流量，必须采取防渗减渗措施，减少中途水量损失。

2.2 提高输水能力满足自流灌溉需要

此灌区绝大部分地区属黄河冲积平原，少部分属黄河河漫滩。渠首设计水位 83.05 m，西北向东南微倾，西北高程约80 m，东南部地面高程约40 m，地面坡降为1/3 000～1/8 000，灌区内总体地形较为平坦，渠首水位可满足全灌区供水要求，灌区中上游以渠灌(田间自流)为主，井灌为辅。因灌区原渠道堤身填土多以渠道开挖土做填筑土料，土质岩性以沙壤土为主，局部夹粉质壤土薄层，土质不均一，孔隙比e=0.64～0.93，压缩模量 Es=6.63；堤基多为粘砂双层结构，地层岩性以沙壤土、粉质壤土为主，具弱～中等透水性，因此渠道土质岩性抗冲刷、抗渗透能力差。为提高渠道输水能力，充分发挥自流灌溉用水成本较低优势，必须满足坡降比适当、渠身安全可靠、输水能力稳定等条件，因此采取防渗减渗与节制闸抬升渠道水位相结合措施是提高输水能力实现自流灌溉的需要。

2.3 减少泥沙淤积需要

黄河水的最大特点就是含沙量高，引水输水过程中极易造成泥沙淤积。通过2014—2017年总干渠段实际引水过程、采用对应年月的实测花园口站含沙量，通过一维非恒定流水沙演进数学模型模拟不同引黄水沙过程在该渠段内演进、分段冲淤等计算淤积量，然后将计算结果与 2017年和2019年实测计算淤积量进行对比。

一维非恒定流方程包括水流连续方程和动量方程。

(1)

式(1)中：Z为水位(m)；Q为流量(m3/s)；A为面积(m2)；B为水面宽度(m)；g为重力加速度(m/s2))；Sf为摩阻坡度；t为时间(s)；x为流程(m)，ql为旁侧入流(引水、损失等)单宽流量(m3/(s·m))。模拟沉沙淤积计算结果见表1。

表1 总干渠段淤积计算成果(0+000～15+333)表

2017年实际清淤量17.33万m3(16.80 km)，采用数学模型计算2014—2017年累计淤积量16.46万m3。2019年3月根据实测淤积断面计算衬砌段淤积量3.36万m3，平均淤积厚度0.15 m，采用数学模型计算淤积量3.85万m3，平均淤积厚度0.16 m。2014—2017年计算成果与实测淤积量剔除渠道长度不同的影响后，两者相差 4%。通过以上表格对比可知，衬砌段泥沙淤积远低于非衬砌段。为保障过水能力和工程安全，采用混凝土衬砌对提高渠道输水速度，减少泥沙淤积很有必要。

3 减渗防渗措施

渠道输水损失主要包括水面蒸发、渗水和漏水，其中水面蒸发损失只占总损失量的百分之几，通常忽略不计，渗水损失约占渠道输水总损失量的80%以上，因此提高输水效率，做好减渗防渗是关键。由于赵口二期总干渠沿线桩号8+596～11+500段左岸为湖区，桩号11+000～11+500段右岸坑塘分布比较集中，其他段零星分布鱼塘。非灌溉期总干段渠道在外侧水位差作用下，渗水现象明显。为了降低堤防浸润线，提高水利用率以及防止总干渠发生渠道渗透稳定破坏，该区段除了渠道采用全断面混凝土衬砌外，同时采取了设置复合土工膜防渗措施。考虑到渠道非灌溉期外水内渗排除，工程中仅对渠道内坡设置土工膜，渠底不设置。渠坡防渗复合土工膜压在坡脚齿墙下，渠坡顶部防渗复合土工膜压在封顶板，设置复合土工膜渠段取消渠坡排水孔。内坡及渠底防护见图1。

图1 干渠内坡及渠底防护结构图(单位：mm)

3.1 铺设土工膜

利用土工膜渠道防渗节水措施是缓解水资源利用效率低下问题的最佳手段之一。根据渠道水位与现状地面高程的相对关系，赵口二期工程在总干渠、东二干渠、朱仙镇分干及陈留分干渠坡采用规格为600 g/m2的复合土工膜(两布一膜)。渠坡土工膜由坡肩向下人工铺至坡脚，按照上游幅压下游幅的顺序铺设。为了防止下滑，在铺设期间所有的土工膜用沙袋或轻柔性重物压住，直至混凝土面板施工完为止。复合土工膜的拼接分3个程序进行，即下层无纺织布的缝合、中层土工膜的焊接、上层无纺织布的缝合。无纺织布的缝接采用手提缝纫机、尼龙线进行双道缝接；中层土工膜采用焊接工艺联结，搭接宽度≥10 cm，焊接温度控制在300℃左右，焊机爬行速度控制在2～3 m/min。焊接完成，目测质量合格后逐条缝采用充气法检测，充气压力0.15～0.2MPa，1-5 min无明显压降即为合格。对于发现的虚焊、漏焊的接缝及时用热风焊枪进行补焊，验收合格后再进行上部土工布缝合。总干渠复合土工膜布置情况见表2。

表2 总干渠段复合土工膜布置情况表

3.2 混凝土衬砌

在节水灌溉工程建设中，渠道衬砌的主要目的是防渗并减少渠道渗漏损失，提高输水配水能力，增加渠坡的稳定性，减小渠道的断面尺寸。由于混凝土具有良好的防渗效果，一般可减少渗漏损失水量的85%以上并且耐久性强，还能加固渠床，提高渠道的抗冲刷能力，故灌区所有干渠、分干均采用厚度为0.10 m的C25W6F150现浇混凝土板进行全断面衬砌，并在坡底设置齿墙。渠道混凝土衬砌包含混凝土浇筑、切缝、填塞闭孔泡沫板和抹密封胶等工艺，采用机械衬砌与人工衬砌相结合施工方式。

由于机械衬砌速度快、质量稳定、总体效果好以及工期紧等因素，工程中要求具备条件的作业面尽量采用混凝土机械衬砌，施工工艺由布料机布料、震动机振捣、抹面机抹面和人工压光组成；对于衬砌机无法施工的渠段采用人工衬砌，混凝土采用溜槽布料，人工平仓，振捣棒和振动尺振捣，混凝土表面采用电动抹光机抹面，人工配合压光。按照设计分缝位置，在衬砌混凝土抗压强度达到1～5 MPa时切缝。坡面切缝采用支撑架支撑切割机，由坡脚向坡肩沿切割线依次切割。渠底切缝，由一人牵引切割机，一人控制切割机，沿切缝线依次施工。切缝过程中，严格控制切缝宽度及深度，刀具不得触及下部的土工膜，深度按80 mm控制。切缝完成并清理干净后向混凝土缝内填塞闭孔泡沫板，闭孔泡沫板裁切成60 mm宽板带，填塞好的闭孔泡沫板顶面距混凝土板外表面20 mm。闭孔泡沫板填缝完成后，将缝内混凝土清洗干净并保持干燥，采用专用工具注入聚硫密封胶，密封胶外表面与混凝土外表面保持平整一致。