陸渾灌區高地下水位對渠道襯砌的影響分析

□周志平 □楊書統 □賈娟娟

（河南省水利勘測設計研究有限公司）

陸渾灌區高地下水位對渠道襯砌的影響分析

□周志平 □楊書統 □賈娟娟

（河南省水利勘測設計研究有限公司）

高地下水位是渠道設計中的常見問題，主要對渠坡和混凝土襯砌結構的穩定性產生不利影響，且在施工過程中也存在施工排水問題。文章以陸渾灌區東二干渠道高地下水位的設計和施工措施為例，淺析其設計的基本思路，為以后高地下水位在渠道襯砌設計和施工中提供參考。

陸渾灌區；高地下水位；渠道襯砌

1 引言

陸渾灌區位于河南省西部，設計灌溉面積89 493 hm2，跨黃河、淮河兩大流域，受益范圍為洛陽市的嵩縣、伊川縣、汝陽縣、偃師市和平頂山市的汝州市及鄭州市的滎陽市、鞏義市共3個市7個縣（市），總人口151.06萬人，其中農業人口131.58萬人。灌區現有總干渠1條，長44.40 km；東一干渠、東二干渠、西干渠、灘渠4條干渠，長233.40 km；支渠49條，長232.30 km。

東二干渠設計灌溉面積18 240 hm2，設計流量16.00 m3/s，全長52.20 km。現狀渠道未進行護砌，渠道內雜草叢生，渠道內岸坡由于水流沖刷已凹凸不平，部分較高岸坡存在小沖溝現象。陸渾灌區續建配套與節水改造項目2015年度工程中東二干渠道處理范圍為樁號1+655～7+759，全長6 104 m。工程處理措施為：將已老化破碎的混凝土全部拆除，按照設計斷面進行整修，渠道采用C20混凝土襯砌，襯砌厚度10 cm，沿水流方向每隔5 m設一道橫向伸縮縫，渠底兩側內坡腳處分別設一道縱向伸縮縫，縫寬2 cm，縫內采用閉孔泡沫板填充。

2 工程地質概況

東二干高地下水位渠段揭露地層巖性主要為第三系中始新統張家村組（E2Z），上部巖性以礫巖為主，局部為重粉質壤土，下部為粘土巖，描述如下：礫巖：灰色、灰白色，礫石成分多為褐紅、紅褐及灰白色鈣質團塊，直徑一般為0.50～1.50 cm，成巖差，多呈散粒狀，局部可見厚0.30 m，長1～2 m膠結較好的礫巖透鏡體，巖石較堅硬。該層厚度不均，一般2.50 m左右，巖性也不均一，部分地段礫石含量少，為礫質粘土巖。主要分布在地表和干渠邊坡上部。粘土巖：褐黃、棕紅色，泥質結構，成巖差，多為硬塑狀粘土，見有黑色鐵錳質薄膜及斑點與灰綠色條紋，含鈣質結核，直徑一般2～10 cm。該層渠道開挖揭露厚度各處不一，一般1.50 m左右，巖性也不均一，部分地段鈣質結核含量少。主要分布在干渠邊坡下部和渠底。

該段渠頂高程一般為290.08～290.68 m左右，渠底高程286.28～286.88 m，渠深3.80 m，設計渠底寬3.10 m，為挖方渠段，渠頂基本與地面齊平。

施工過程中，據施工方介紹，該標段僅236 m渠底無水，其余渠段渠坡均有滲水。據現場察看，渠坡滲水段雖采取了排水措施，但渠底仍有積水，加之施工機械在渠底行進，導致渠底形成厚0.20～0.30 m的軟塑～流塑狀擾動土。據施工現場開挖情況看，上部礫巖透水但不含水，地下水主要從粘土巖中流出。經觀察分析，地下水主要賦存在粘土巖上部，屬上層滯水，該部位屬大氣影響帶，影響帶內裂隙發育，含鈣質結核，地下水主要接受大氣降水補給，沿礫巖層下滲，賦存于粘土巖上部裂隙中，并沿坡面排泄于渠道內，含水厚度不大，賦水性弱，根據裂隙發育和坡面滲水情況，類比其它類似工程經驗，裂隙粘土巖屬弱～中等透水。

3 工程處理措施

3.1 高地下水位對渠道襯砌的影響

在渠道線路的規劃布置過程中，受沿線地形地質、降雨徑流、水文地質等的影響，經常會遇到渠道穿越高地下水位的情況，對渠坡穩定和襯砌結構均產生不利因素。

一方面，由于地下水位以下的土體處于飽和狀態，土體的物理力學性能指標和土體的抗剪強度指標較自然狀態都有明顯的下降，對渠坡的穩定計算產生不利影響；地下水沿渠坡存在水力梯度，產生一定的滲透力，土體的下滑力在地下水作用下明顯增加，對渠坡的抗滑穩定也產生不利影響，所以，在高地下水位渠段需重新復核渠道邊坡的穩定計算。

另一方面，為提高輸水效率，減少渠道的滲水量，陸渾灌區東二干渠道襯砌時采用的是土工膜復合防滲措施，防止渠道內水外滲，橫向伸縮縫底部鋪設50 cm寬防滲土工膜，渠底兩側伸縮縫底部鋪設65 cm寬防滲土工膜。當地下水位高于渠底高程時，在渠道過水情況下，因渠道內灌溉水位高于地下水位，對襯砌板的影響較小，但當渠道內無水時，就存在襯砌板下的地下水產生的浮托力大于襯砌板的自重，將襯砌板頂壞的現象。所以，需復核渠道底板的抗浮穩定計算，必要時加大襯砌板的厚度以增加襯砌板的自重，保證渠底襯砌板的結構穩定。

此外，一般高地下水位在冬季還易出現土體的凍脹和凍融破壞問題。但根據地質資料和現場查勘情況來看，陸渾灌區因冬季少雨干旱，渠道內不存在地下水外滲現象，對渠道襯砌結構影響較小。

3.2 工程處理措施

東二干渠現狀大部分為土渠，幾處填方壩渠段為年久失修的混凝土襯砌段，現狀已經破損嚴重。一方面，汛期降雨入滲補給地下水使地下水位抬高，另一方面，在渠道放水灌溉期間，渠道內灌溉水也會補給地下水，當渠道內無水時，渠坡兩側的地下水就會入滲到渠道內，造成部分渠坡出現坍塌現象。

陸渾灌區續建配套階段，東二干渠道采用的是全斷面混凝土襯砌結構型式，分縫處采用土工膜復合防滲，渠道內外水不允許交換。當地下水位高于渠底、而渠道內又無水的情況下，地下水產生的浮托力就會使襯砌板頂托破壞，所以應采取一定的工程措施，保證渠道襯砌結構的穩定，設計時主要考慮了兩種方案。

方案一，加大地下水位以下部分的渠道襯砌板厚度以滿足抗浮要求。這種方案不會影響渠道的綜合糙率，對渠道的過流能力影響較小，但對地下水位較高的渠段，為滿足襯砌板的抗浮穩定，渠道襯砌厚度一般得加大至0.50 m以上，因渠道線路比較長，工程投資比較大，經濟性較差。

方案二，排水措施。在地下水位以下部位采用無砂混凝土塊使渠道內水與地下水連通，以降低渠道襯砌板內外水頭差，減小揚壓力，保證渠道襯砌板不被浮托力破壞。渠道排水采用無砂混凝土塊，兩側渠底及渠坡各布置一排，渠坡無砂混凝土塊底邊距渠底0.30 m，渠底無砂混凝土塊外邊距伸縮縫0.10 m，順水流向間距1.50 m。①無砂混凝土塊采用圓形，直徑200 mm，厚度0.10 m，無砂混凝土塊下鋪設300 g/m2土工布，四周各寬出無砂混凝土塊20 cm。②無砂混凝土塊下鋪設砂礫料，渠坡砂礫料鋪設于無砂混凝土塊下，將其下的老舊混凝土鑿除，再下挖10 cm，回填砂礫料并壓實，砂礫料回填尺寸為40cm× 40cm×20 cm。③渠底砂礫料沿渠段全長鋪設，將其下的老舊混凝土切除，寬度為42 cm，回填砂礫料并壓實。④無砂混凝土技術指標為：混凝土強度為C10，滲透系數≤2×10-1cm/s，施工前應通過試驗對無砂混凝土的技術指標進行復核。⑤砂礫料要求粒徑≤20 mm，5～20 mm粒徑含量應達到50%～70%。砂礫料級配連續，不含植物殘體、垃圾等雜質。

方案二較方案一能大大節約工程投資，但主要問題是加大了該渠段的綜合糙率，對渠道過流有一定影響，但因陸渾灌區為續建配套工程，在治理過程中遵照“先上游后下游、先急后緩、注重效益、集中聯片”的原則，主要安排渠道中存在坍塌、滲漏等問題嚴重、影響渠道通水的渠段，待整個續建配套工程全部完工時，渠道的綜合糙率是滿足設計要求的。

3.3 施工處理措施

根據地質報告中的描述，汛期降雨入滲使區域地下水位抬高，施工期間地下水位高于渠底，存在施工排水問題，粘土巖富水性差，采取明溝排水是可行的，但現場集水排水坑偏少、偏淺，應加強排水工作，增加集排水坑密度和深度，增加排水設施，進行有效降水，保證干地施工。

此外，對于渠底施工擾動形成的厚0.20～0.30 m的軟塑～流塑狀土應予以清除，超挖部分可采取中粗砂或級配砂卵石填筑，另外粘土巖一般具弱膨脹潛勢，施工時應快挖快填，盡量減少暴露時間，以防渠坡脹縮變形，影響渠坡穩定。

4 結語

高地下水位渠段的處理是灌區渠道襯砌設計中的主要技術問題，嚴重影響渠道的運行安全。因陸渾灌區東二干渠道地下水位較穩定，采用無砂混凝土塊施工簡單，也能滿足設計要求，經濟性較好，從已施工的陸渾灌區續建配套工程驗收結果來看，該方案處理措施效果良好，為其它灌區工程處理類似問題提供參考。

［1］吳劍疆，邵劍南.南水北調中線一期工程總干渠高地下水位渠道設計主要問題及對策措施[J].水利水電技術.2014（11）.

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1673-8853（2017）03-0095-02

2016-12-21

編輯：劉長垠 韋詩佳

周志平（1984-），女，工程師，主要從事水利設計工作。