西北寒冷地區渠道砌護技術研究

孫升 肖俊 王禹迪

(1.寧夏回族自治區西干渠管理處 寧夏銀川 750000;2.中國水利水電科學研究院 北京 100038)

寧夏水利建設已有兩千多年歷史，得益于黃河方便引水的天然條件，寧夏引黃灌區逐步發展成為我國四大灌區之一。天然的引水條件還得依靠興修水利的實踐，特別是進入新時代后節水型社會建設全面推進，寧夏灌區各渠道積極實施節水改造工程，該文以寧夏西干渠渠道為研究對象，分析近年來渠道砌護存在的問題，提出適合西北寒冷地區的渠道砌護方案，對渠道襯砌技術從材料、設計、施工工藝及管理等各方面進行探究，有效降低渠道滲漏、凍脹及淤積，提高渠道運水能力。

1 概況

1.1 西北地區氣候特點

我國內陸西北地區為典型的大陸性氣候，夏熱冬寒，少水干旱，除個別地區（如東部地區和少數高山區域）年降水量超過400 mm以外，其余絕大部分地區年降水量均低于400 mm，甚至低于200 mm。地處西部的寧夏引黃灌區年平均降雨量為180～220 mm，年平均日照2 850～3 100 h，年平均氣溫8.5 ℃～10.0 ℃，極低氣溫-30 ℃以下，極高氣溫41 ℃以上[1]。引黃灌區每年有近半年的冰凍期（11 月到次年4 月），冰凍期最大凍土深度：青銅峽段為1.1 m，永寧段為1.05 m，銀川段為1.03 m。

1.2 西干渠渠道狀況

西干渠地屬銀川，1959 年冬開工建設，1960 年春通水，全長112.5 km，設計引水量71 m3/s，年均引水5.0億m3，灌溉面積109 hm2。西干渠整條渠道處于賀蘭山東麓洪積扇邊緣，海拔在1 114～1 134 m 之間，地勢南高北低，地面坡度1/2000～1/3000，向黃河傾斜。干渠沿線有較大山洪溝道30條，渠西分布著寧西防洪的14座攔洪庫。

1.3 渠道襯砌存在的問題

20世紀70年代開始，寧夏回族自治區開始對灌區主要的干渠、支渠、斗渠、農渠進行防滲砌護，早期主要采用干砌石、漿砌石、預制混凝土板、現澆混凝土板等砌護形式，后期逐漸投入使用防滲膜料、置換砂礫和石格賓石籠等形式。然而，由于西北地區特殊的氣候特點，特別是凍土區地下水位變幅大、渠道基礎土體具凍脹性，渠道砌護結構極易出現凍脹破壞，例如隆起、錯位、裂縫、滑塌等[2]。渠道砌護體服役期短，過早破壞，嚴重影響了灌區渠道工程效益的發揮，造成灌區水資源的浪費，威脅灌區糧食生產安全[3]。

2 西干渠渠道砌護破壞形式與原因分析

通過對西干渠渠道的調查研究，其主要的破壞形式為滑塌、塌陷及裂縫等，分析其原因主要有氣候等自然因素、運行管理及設計原因。

2.1 破壞形式

（1）位移滑塌，主要集中在K85+800～K88+800 段右岸邊坡。由于凍漲使得弧腳混凝土支撐受到破壞而失去穩定平衡發生位移，導致上部襯砌板塌落下滑。

（2）塌陷，主要集中在K99+100～K101+800 段左岸邊坡。此段屬挖方渠道，周圍農田排水直接滲入西干渠。左岸邊坡預制混凝土板墊層顆粒因凍漲，受農田溢水滲透力作用而移動，導致墊層變形，造成混凝土板塌陷。

（3）裂縫及鼓脹，主要集中發生在地下水位較高渠段的渠底位置。渠床基土凍脹量大，混凝土凍脹量小，造成混凝土底板裂縫，甚至隆起、架空，在個別段落連續幾塊隆起架空，高度達4～6 cm。

2.2 渠道砌護破壞原因分析

2.2.1 自然因素

西干渠灌區屬于寒冷氣候區，最冷月平均氣溫為-9.0 ℃到-6.7 ℃，極寒年份月均氣溫達到-10 ℃以下，西干渠灌區多數地基土粒徑小于0.075 mm，具有凍脹特性，土壤凍結期在130 d以上，凍土深度在70～110 cm，因此凍脹是干渠砌護破壞最主要的原因。產生凍脹原因是土體中的水分不能及時排出，冬季到來凝結成冰，體積增大，使土壤顆粒發生移動，造成砌護體變形。特別是遇到負溫條件時，由于地下水受溫差影響，會向地表凍結層轉移并逐漸集聚從而增加凍脹量[4-5]。

2.2.2 地下水位偏高

西干渠處于賀蘭山邊緣，左岸全部為揚水灌溉，灌區沒有完整的排水系統，地下水沿著地表淺層直接流入西干渠，這導致西干渠成了揚水灌區的“排水溝”，如此造成的直接影響就是大大提高了西干渠沿線的地下水位。

2.2.3 設計勘察原因

一是弧腳混凝土基礎設計太小，甚至有些未考慮基礎，造成邊坡局部滑塌時有發生；二是格賓護坡未設計混凝土隔梁，格賓一旦變形，上部混凝土板容易塌陷（此問題已在2015年以后砌護中改進）；三是地勘資料不完善，渠道砌護形式選用不合理。

2.2.4 施工質量原因

一是混凝土澆筑質量不高，養護不及時，抗滲抗凍沒有達到設計要求；二是回填土壓實度不夠，土壤密實度較低，地下水通過土壤毛細管作用大量上升，使基土含水量增加，造成冬季產生較大凍脹量；三是防滲復合土工膜接縫不嚴或破損未及時修補，造成滲漏。

2.2.5 運行管理原因

一是西干渠冬灌于11月20日結束，下游渠道直到25號左右水才能排完。但是灌區一般在11月20號左右開始封凍，基土含水量還未排完或者下降至凍脹線以下時便進入凍結期，致使基土凍脹量較大；二是冬灌停水后沒有及時將渠道積水排除干凈；三是缺乏維修養護資金，日常維護跟不上，使已經凍脹變形的砌護體又繼續發生新的凍脹隆起。

3 渠道主要砌護形式及特點分析

西干渠灌區續建配套建設始于1999年，渠道砌護主要在2014—2021 年實施，截止目前，干渠112.5 km已全部砌護完成，砌護方式共計有11種[6]，主要砌護形式有6種，具體見表1。

表1 寧夏西干渠主要砌護形式表

3.1 形式一：弧坡腳混凝土+預制板砌護，左右側對稱

梯形斷面，渠道邊坡1∶2，混凝土基礎+下部1/3現澆混凝土護坡+上部2/3 混凝土預制板護坡（板下鋪復合土工膜和苯板）；渠底卵礫石（下鋪復合土工膜），兩側均設置格賓石籠，具體見圖1。此種砌護方式主要位于西干渠上段填方段（地下水位較低段落）。形式一優點：此方案施工工藝簡單，具有較好的整體性，適應較大斷面尺寸，抗沖刷、防滲及抗凍能力強。缺點：適應變形能力較差，且混凝土板破壞后修復困難，施工人工費用高，總體造價偏高。

圖1 弧坡腳混凝土+預制板砌護

3.2 形式二：左岸鎖扣磚，右岸混凝土板砌護

梯形斷面，渠道邊坡1∶2，左岸：混凝土基礎+下部1/4現澆混凝土護坡+上部3/4鎖扣磚護坡（磚下鋪土工布）；右岸：混凝土基礎+下部1/3 現澆混凝土護坡+上部2/3混凝土預制板護坡（板下鋪復合土工膜和苯板）；渠底：卵礫石（下鋪復合土工膜），兩側均設置格賓石籠，具體如圖2 所示。此種砌護方式主要適用于地下水位高，邊坡不穩定段落。形式二優點：鎖扣磚結構新穎、表面平整美觀，排水性能好。磚體之間自嵌自鎖的形式整體穩定性良好，能夠更好地抵抗耐沖刷，磚與磚之間聯鎖鉸接，整個鋪面可視為柔性體，對輕微的變形和溫度影響適用性強，容易產生裂縫及落差破損。施工工藝簡單易操作，工程造價較低。缺點：水位變幅區容易長草，維護成本較高。

圖2 左岸鎖扣磚，右岸混凝土板砌護

3.3 形式三：左岸格賓+混凝土板，右岸弧坡腳混凝土+預制板砌護

梯形斷面，渠道邊坡1∶2，左岸：格賓石籠基礎+下部1/3格賓護坡（下鋪土工布）+上部2/3混凝土預制板護坡（板下鋪復合土工膜和苯板）；右岸：下部1/3 弧腳混凝土+上部2/3 混凝土預制板（板下鋪復合土工膜和苯板）；渠底：卵礫石（下鋪復合土工膜），具體見圖3。形式三優點：透水性強、柔韌性好，適應地下水位較高地段；缺點：穩定性差，易變形，網格內填充石塊易被水流沖出導致整體變形，金屬鐵絲存在老化，維修難度大，易兜土掛綠，造成渠道淤積，清淤成本高。

圖3 左岸格賓+混凝土板，右岸弧坡腳混凝土+預制板砌護

3.4 形式四：現澆混凝土邊坡砌護，左右側對稱

梯形斷面，渠道邊坡1∶1.5，混凝土條形基礎+混凝土護坡；渠底：卵礫石（下鋪復合土工膜），左側設置格賓石籠，具體見圖4。形式四優點：邊坡穩定性和抗凍抗滲性能好，糙率小，水流速度快，平整美觀，景觀效果好，適用于城市段。缺點：適應變形能力較差，造價高。

圖4 現澆混凝土邊坡砌護

3.5 形式五：格賓+混凝土板砌護，左右側對稱

梯形斷面，渠道邊坡1∶1.75，格賓石籠基礎+下部1/3 格賓護坡（下鋪土工布）+上部2/3 混凝土預制板護坡（板下鋪復合土工膜和苯板）；渠底：卵礫石（下鋪復合土工膜），具體見圖5。優缺點同形式三。

圖5 混凝土板+格賓砌護

3.6 形式六：弧底混凝土+預制板砌護，左右側對稱

弧形底面梯形斷面，渠道邊坡1∶1.75，下部1/3 弧腳混凝土（下鋪苯板）+上部2/3混凝土預制板護坡（板下鋪復合土工膜和苯板）；渠底：卵礫石（下鋪復合土工膜），具體見圖6。形式六優點：防滲抗凍能力效果明顯，不淤積，斷面尺寸合理，整體性好。缺點：施工工藝復雜，鋪板人工費用高。

圖6 混凝土板砌護

4 渠道砌護病害防治措施

4.1 優選合理砌護結構形式

選用渠道砌護結構形式，首先確定渠道地下水位變化范圍、邊坡地質和挖方渠道周圍水環境。重點要在坡腳穩定性方面進行調整。對于流量小于10 m3/s的渠道，斷面形式首選弧形底梯形斷面；城市段渠道砌護，需要更多考慮到渠道安全和美觀性，宜以寬淺式的梯形斷面為主；選用格賓整坡面砌護，除了不美觀以外，還存在淤積嚴重、易變形等問題，因此渠道坡面選用格賓砌護須謹慎，特別是在渠道下游段要慎用[7-8]。

4.2 優化勘察設計方案

一是地勘資料要詳細、準確，為選擇渠道砌護方式提供依據；二是在挖方渠道左岸混凝土護坡段落設置排水孔，換填砂礫石，可有效減輕混凝土凍脹破壞；三是在地下水位較高、地質條件復雜地段，邊坡宜采用1∶1.75 或者1∶2。

4.3 控制施工過程

一是優化施工組織設計，針對灌區施工工期短的特點合理配置人員及設備，優化工序提高效率；二是具體情況具體分析，例如：當施工過程中遇到地下水較高且出現明水時，優先考慮采用渠底中間開槽，龍頭坑排水方案，若排水效果不佳，則應考慮機井降水；三是對施工材料做好把控，例如混凝土做好塌落度控制，特別是澆筑弧形坡腳混凝土現澆段的塌落度控制。

4.4 加強日常運行管理

一是冬灌停水后立即通過退水閘排除渠道積水；二是保障渠道維修養護資金到位，發現渠道破壞問題及時維修；三是優化調度，采用輪灌等方式，避免小水位運行流速太小造成下游渠道淤積[9-11]。

5 結語

屬于西北寒冷地區的寧夏西干渠在渠道改造和養護過程中，綜合考慮灌溉防洪等因素，在渠道襯砌方案選擇上因地制宜，對主要的7 種方案進行比選。通過比選分析，要解決渠道滲漏、凍脹及淤積問題，選擇合理的砌護形式是關鍵，應從設計流量、地質條件、地下水埋深及渠道走向綜合考慮，本著“經濟、合理、實用、美觀”的原則選擇砌護形式。要加強施工過程控制，嚴格落實質量檢查與控制程序。在運行過程中，加強日常維護管理，形成科學管理制度，最大限度減輕渠道凍脹、滲漏和淤積，確保工程發揮最大效益。