洛惠渠東干渠流泥段治理方案及運行效果分析

賈志勝

(陜西渭南市洛惠渠管理局,陜西 大荔 715100)

洛惠渠灌區始建于 1934年,1950年開灌,是北洛河流域最大的灌區,自澄城縣狀頭村自流引洛河水,灌溉大荔、蒲城、澄城三縣 74.32萬畝農田。東干渠為灌區輸水的骨干渠道,于 1958年建成投入運行。該渠西起總干渠 5#隧洞出口的義井分水閘,東至黃河西岸,全長 26.5 km,沿渠設四條支分渠和斗渠 13條。原渠道斷面采用梯形,比降 i=1/3 000,設計流量 Q=7 m3/s。東干渠灌溉大荔縣 7個鄉鎮 26萬畝農田,占洛惠渠灌區有效灌溉面積的 35%,區內現有農業人口 16.25萬人。渠道建成并運行半個多世紀,為抵御干旱洪澇災害,改善農業生態環境,促進當地農業發展和人民生活改善,發揮了巨大作用,取得顯著的經擠效益和社會效益。但在創造輝煌效益的同時,流泥病害導致工程系統的輸水效率低下,灌區供水能力嚴重不足。

1 東干渠流泥段成因分析

1.1 流泥段概述

洛惠渠東干渠 1958年建成后運行不久便出現流泥病害,渠坡因流泥滑塌十分嚴重。渠道坍塌以 4+950～6+150段及 9+500～14+700段最為嚴重。 4+950～6+150段 1967年村砌,1969年即滑塌,9+500～12+350段 1974年完成襯砌,次年春即全部滑塌,至 2001年滑塌延伸至 18+800處,總長達到 10.5 km,占東干渠總長度的 41.2%,形成有名的東干渠流泥段。

東干渠原設計斷面為梯形,設計渠底寬 2.2 m、渠深2.6m、邊坡 1：1、口寬 7.4m;渠道坍塌后,渠口塌至 12 m左右,渠深因滑塌淤積不足 2m,渠不成形,輸水能力由設計的7m3/s下降到 3.5 m3/s,渠道引水能力嚴重不足,運行效率下降,嚴重影響東干渠系統 26萬畝農田的正常灌溉。

1.2 成因分析

東干渠沿黃土臺塬坡腳與洛河三級階地后緣由西向東布設,渠道穿過潛水層。東干渠沿線地下水為孔隙潛水,降雨及灌溉入滲是其主要補給來源,流向從北向南。多年來由于灌溉滲漏,地下水位逐年升高,東干渠沿渠線表現為地下水位上段大致與渠底齊平,中段埋深在 1.3～2.0 m,高于設計渠底,下段低于渠底,成為一地下水丘,向東、西兩側運動。

在渠深范圍內,土壤主要為第四系上更新統及全新統風積 ～坡積黃土狀亞粘土,土壤滲透系數平均值為 7.8×10-4cm/s,屬弱透水層。同時,土壤顆粒較細,粘粒含量高。在地下水滲透力作用下,渠坡易發生流土破壞。

渠道水位低于渠坡地下水位時,地下水位與渠道水位便有一個水位差 H,當渠道放空時此 H值最大。冬季,地下水位以下土壤在飽和情況下凍結,而翌年春融解凍前,邊坡后背地下水位調壅接近水平。當土體融透時,地下水位便以最短滲徑從邊坡逸出。此時,水力梯度最大。在產生水位差時,水對土骨架就產生滲透力 j=i?rw(t/m2),其方向與滲透方向一致,其值等于水力梯度。

單位土體內的滲透力與土的浮容重達到平衡時,土顆粒即處于懸浮狀而失去穩定,此時的水力梯度即為臨界水力梯度(ic)。當水流逸出處的水力梯度為 ie＞ic土體處于流土狀態,已經破壞失穩。依據地質報告及大荔氣象站土壤凍結資料,坍塌流泥嚴重段,地下水位高于渠底 1.25 m。經計算分析,東干渠土體在現狀坡比 1∶1情況下邊坡不穩定,處于流土狀態。

可見地下水位偏高和渠道邊坡 1∶1偏陡是東干渠坍塌流泥破壞的主要原因。

2 治理方案

2001年利用世行貸款項目對東干渠流泥段最為嚴重的9+500～14+000進行改造。在改造過程中,針對東干渠流泥段形成的原因,根據地下水位與渠底高程的相對關系,分段采取兩種不同的治理方案。

2.1 9+500～11+950段,采用機井降水、現澆砼板膜復合結構襯砌方案

該段地下水位最高在渠底以上 1.3m,采用機井降水、現澆砼板膜復合結構襯砌方案進行治理。通過滲流、地下水位下降曲線等計算,并借鑒其他類似工程井距、井深的布置經驗,在地下水流來向(渠北岸)外側每隔 60m打一眼機井,共打機井 40眼,井深 45m,機井孔徑為 70 cm,井管采用 50 cm無砂混凝土管。采用 200QJ50一 26/2型潛水泵,單機出水量 40m3/h。渠道橫斷面采用抗凍脹能力強的弧底梯形斷面,針對渠道邊坡 1∶1不穩定的情況,通過計算,邊坡采用1∶1.5。渠道襯砌形式采用現澆砼板膜復合結構,襯砌材料選用 C15、F50、W 4現澆砼,板厚 10 cm,防滲膜料選用 0.2mm、100 g/m2一布一膜復合防滲土工布,膜料設置于現澆砼板和夯實、平整好的渠床之間,膜料層是復合式襯砌的防滲主體。

2.2 11+950～14+000段,采用漿砌石襯砌設無砂砼排水塊排水方案

該段地下水位在渠底以上 0.5m,對該段的襯砌治理,關鍵是要保證在渠道水位低于地下水位或渠道不引水時,地下水能順利排出,從而保證渠道邊坡穩定。因此,渠道襯砌設計形式采用漿砌石設無砂砼排水體襯砌形式,斷面采用弧底梯形型式,弧底半徑 R=3.6 m,坡比 1∶1.5,襯砌高度2.0m,襯砌厚 30 cm;每 10m設一道橫向伸縮縫,在圓弧與斜坡連接處設 2條縱向伸縮縫,且在渠坡設兩道排水孔,呈梅花狀布置,相鄰孔間距 1.5 m。梅花型布設的無砂砼透水體,其臨土側鋪設土工織物,砌石襯砌下鋪設砂礫料反濾墊層。當渠道水位低于地下水位或渠道不引水時,地下水則通過無砂砼塊排人渠中。該方案具有施工方便、便于管理、安全可靠等優點,但投資相對較高。襯砌方案如圖 1。

圖1 襯砌方案

3 治理效果分析

東干渠流泥段治理工程實施完成后,治理段渠道的流泥病害得以消除,輸水條件得以改善,使治理段過水能力由改造前的 3.5m3/s恢復到 7.03/s。

3.1 機經降水方案效果

9+500～11+950段采用機井降水方案,經過建成以來的觀測和觀察,該渠段地下水位明顯下降,流泥塌岸得到有效控制。通過典型井的地下水位變化觀測資料分析,初步得出的降水效果是：(1)抽水前沿線地下水位距井口 1.8～2.8m(高于渠底 1.0～0 m)抽水運行 17個月后,地下水位距井口 6.2～8.5 m(低于渠底 3.4～5.7 m),平均下降5.5m,水位趨于穩定。(2)據對典型井的觀測,在無大的降雨影響時,最長停機時間 4個月(此段時間有效降雨小于10mm),地下水位無明顯回升;當有效降雨達 135 mm時,地下水位上升距渠底 1.0 m。(3)抽水運行后,井群兩側地面出現明顯的沉降變形,土地鹽堿化顯著減輕。

同時,該方案抽取的地下水可以摻入渠水用于灌溉,在一定程度上達到補水效果。

但 2003年 7～10月四個月降雨達 527.4 mm,接近歷年同期 2倍,導致渠岸兩邊耕地形成大面積明水,渠坡土壤飽和。由于降雨偏多造成電力線路破壞,降水方案受到影響,沒有正常降水,導致地下水位無法降到渠底以下,造成襯砌承受較大外水壓力,該段渠道 800m出現滑塌。2004年對該段滑塌渠道采用漿砌石襯砌設無砂砼排水塊排水方案進行了修復,至今運行良好。

3.2 漿砌石襯砌設無砂砼排水塊排水方案效果

11+950～14+000段采用漿砌石襯砌設無砂砼排水塊排水方案經過多年運行,渠道邊坡穩定,排水效果良好,沒有出現任何流泥破壞;同時,該方案運行費用低,對日常維護要求不高。

4 結論與意見

根據近年來的運行觀測,漿砌石襯砌設無砂砼塊排水體方案是解決地下水位高出渠底地質條件下采取的有效工程措施。建議在類似地質條件的渠道改造中,運用該襯砌方式,雖然此方案成本較大,但可以從根本上解決渠道襯砌滑塌問題。2010年灌區續建配套項目對東干渠上段流泥段的治理過程中,便采用漿砌石襯砌設無砂砼塊排水體的襯砌方案,目前已施工完成。針對東干渠目前采用的兩種方案,在以后的日常運行過程中建議：

(1)機井降水段。井點降水是保證渠坡穩定的先決條件,保證地下水位始終在渠底 1.0 m以下,才能保證渠坡及砼襯砌的穩定。因此須加強排水設施管理,克服“重建輕管”的思想,定期檢查和觀測,修復損壞的降水井,整修電力線路和電器設備,保證其正常運行,有效控制地下水位。同時,須在長期降水過程中,進一步總結井點降水的規律性,合理降水。

(2)砌石襯砌段。因洛河水源含沙量較大,容易堵塞無砂砼排水塊,因此,需要加強管理,在每一次灌水后能及時清淤,保證無砂砼排水塊排水通暢、不堵塞。

[1]洛惠渠志編纂委員會.洛惠渠志[M].陜西：陜西人民出版社,1995.

[2]肖建偉,肖建新,吳少華.水在滑坡變形過程中所起作用的探討[J].水文地質工程地質,2007,(6).

[3]工程地質手冊.工程地質手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.