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孙升 肖俊 王禹迪
(1.宁夏回族自治区西干渠管理处 宁夏银川 750000;2.中国水利水电科学研究院 北京 100038)
宁夏水利建设已有两千多年历史，得益于黄河方便引水的天然条件，宁夏引黄灌区逐步发展成为我国四大灌区之一。天然的引水条件还得依靠兴修水利的实践，特别是进入新时代后节水型社会建设全面推进，宁夏灌区各渠道积极实施节水改造工程，该文以宁夏西干渠渠道为研究对象，分析近年来渠道砌护存在的问题，提出适合西北寒冷地区的渠道砌护方案，对渠道衬砌技术从材料、设计、施工工艺及管理等各方面进行探究，有效降低渠道渗漏、冻胀及淤积，提高渠道运水能力。
1.1 西北地区气候特点
我国内陆西北地区为典型的大陆性气候，夏热冬寒，少水干旱，除个别地区（如东部地区和少数高山区域）年降水量超过400 mm以外，其余绝大部分地区年降水量均低于400 mm，甚至低于200 mm。地处西部的宁夏引黄灌区年平均降雨量为180～220 mm，年平均日照2 850～3 100 h，年平均气温8.5 ℃～10.0 ℃，极低气温-30 ℃以下，极高气温41 ℃以上[1]。引黄灌区每年有近半年的冰冻期（11 月到次年4 月），冰冻期最大冻土深度：青铜峡段为1.1 m，永宁段为1.05 m，银川段为1.03 m。
1.2 西干渠渠道状况
西干渠地属银川，1959 年冬开工建设，1960 年春通水，全长112.5 km，设计引水量71 m3/s，年均引水5.0亿m³，灌溉面积109 hm2。西干渠整条渠道处于贺兰山东麓洪积扇边缘，海拔在1 114～1 134 m 之间，地势南高北低，地面坡度1/2000～1/3000，向黄河倾斜。干渠沿线有较大山洪沟道30条，渠西分布着宁西防洪的14座拦洪库。
1.3 渠道衬砌存在的问题
20世纪70年代开始，宁夏回族自治区开始对灌区主要的干渠、支渠、斗渠、农渠进行防渗砌护，早期主要采用干砌石、浆砌石、预制混凝土板、现浇混凝土板等砌护形式，后期逐渐投入使用防渗膜料、置换砂砾和石格宾石笼等形式。然而，由于西北地区特殊的气候特点，特别是冻土区地下水位变幅大、渠道基础土体具冻胀性，渠道砌护结构极易出现冻胀破坏，例如隆起、错位、裂缝、滑塌等[2]。渠道砌护体服役期短，过早破坏，严重影响了灌区渠道工程效益的发挥，造成灌区水资源的浪费，威胁灌区粮食生产安全[3]。
通过对西干渠渠道的调查研究，其主要的破坏形式为滑塌、塌陷及裂缝等，分析其原因主要有气候等自然因素、运行管理及设计原因。
2.1 破坏形式
（1）位移滑塌，主要集中在K85+800～K88+800 段右岸边坡。由于冻涨使得弧脚混凝土支撑受到破坏而失去稳定平衡发生位移，导致上部衬砌板塌落下滑。
（2）塌陷，主要集中在K99+100～K101+800 段左岸边坡。此段属挖方渠道，周围农田排水直接渗入西干渠。左岸边坡预制混凝土板垫层颗粒因冻涨，受农田溢水渗透力作用而移动，导致垫层变形，造成混凝土板塌陷。
（3）裂缝及鼓胀，主要集中发生在地下水位较高渠段的渠底位置。渠床基土冻胀量大，混凝土冻胀量小，造成混凝土底板裂缝，甚至隆起、架空，在个别段落连续几块隆起架空，高度达4～6 cm。
2.2 渠道砌护破坏原因分析
2.2.1 自然因素
西干渠灌区属于寒冷气候区，最冷月平均气温为-9.0 ℃到-6.7 ℃，极寒年份月均气温达到-10 ℃以下，西干渠灌区多数地基土粒径小于0.075 mm，具有冻胀特性，土壤冻结期在130 d以上，冻土深度在70～110 cm，因此冻胀是干渠砌护破坏最主要的原因。产生冻胀原因是土体中的水分不能及时排出，冬季到来凝结成冰，体积增大，使土壤颗粒发生移动，造成砌护体变形。特别是遇到负温条件时，由于地下水受温差影响，会向地表冻结层转移并逐渐集聚从而增加冻胀量[4-5]。
2.2.2 地下水位偏高
西干渠处于贺兰山边缘，左岸全部为扬水灌溉，灌区没有完整的排水系统，地下水沿着地表浅层直接流入西干渠，这导致西干渠成了扬水灌区的“排水沟”，如此造成的直接影响就是大大提高了西干渠沿线的地下水位。
2.2.3 设计勘察原因
一是弧脚混凝土基础设计太小，甚至有些未考虑基础，造成边坡局部滑塌时有发生；
二是格宾护坡未设计混凝土隔梁，格宾一旦变形，上部混凝土板容易塌陷（此问题已在2015年以后砌护中改进）；
三是地勘资料不完善，渠道砌护形式选用不合理。
2.2.4 施工质量原因
一是混凝土浇筑质量不高，养护不及时，抗渗抗冻没有达到设计要求；
二是回填土压实度不够，土壤密实度较低，地下水通过土壤毛细管作用大量上升，使基土含水量增加，造成冬季产生较大冻胀量；
三是防渗复合土工膜接缝不严或破损未及时修补，造成渗漏。
2.2.5 运行管理原因
一是西干渠冬灌于11月20日结束，下游渠道直到25号左右水才能排完。但是灌区一般在11月20号左右开始封冻，基土含水量还未排完或者下降至冻胀线以下时便进入冻结期，致使基土冻胀量较大；
二是冬灌停水后没有及时将渠道积水排除干净；
三是缺乏维修养护资金，日常维护跟不上，使已经冻胀变形的砌护体又继续发生新的冻胀隆起。
西干渠灌区续建配套建设始于1999年，渠道砌护主要在2014—2021 年实施，截止目前，干渠112.5 km已全部砌护完成，砌护方式共计有11种[6]，主要砌护形式有6种，具体见表1。
表1 宁夏西干渠主要砌护形式表
3.1 形式一：弧坡脚混凝土+预制板砌护，左右侧对称
梯形断面，渠道边坡1∶2，混凝土基础+下部1/3现浇混凝土护坡+上部2/3 混凝土预制板护坡（板下铺复合土工膜和苯板）；
渠底卵砾石（下铺复合土工膜），两侧均设置格宾石笼，具体见图1。此种砌护方式主要位于西干渠上段填方段（地下水位较低段落）。形式一优点：此方案施工工艺简单，具有较好的整体性，适应较大断面尺寸，抗冲刷、防渗及抗冻能力强。缺点：适应变形能力较差，且混凝土板破坏后修复困难，施工人工费用高，总体造价偏高。
图1 弧坡脚混凝土+预制板砌护
3.2 形式二：左岸锁扣砖，右岸混凝土板砌护
梯形断面，渠道边坡1∶2，左岸：混凝土基础+下部1/4现浇混凝土护坡+上部3/4锁扣砖护坡（砖下铺土工布）；
右岸：混凝土基础+下部1/3 现浇混凝土护坡+上部2/3混凝土预制板护坡（板下铺复合土工膜和苯板）；
渠底：卵砾石（下铺复合土工膜），两侧均设置格宾石笼，具体如图2 所示。此种砌护方式主要适用于地下水位高，边坡不稳定段落。形式二优点：锁扣砖结构新颖、表面平整美观，排水性能好。砖体之间自嵌自锁的形式整体稳定性良好，能够更好地抵抗耐冲刷，砖与砖之间联锁铰接，整个铺面可视为柔性体，对轻微的变形和温度影响适用性强，容易产生裂缝及落差破损。施工工艺简单易操作，工程造价较低。缺点：水位变幅区容易长草，维护成本较高。
图2 左岸锁扣砖，右岸混凝土板砌护
3.3 形式三：左岸格宾+混凝土板，右岸弧坡脚混凝土+预制板砌护
梯形断面，渠道边坡1∶2，左岸：格宾石笼基础+下部1/3格宾护坡（下铺土工布）+上部2/3混凝土预制板护坡（板下铺复合土工膜和苯板）；
右岸：下部1/3 弧脚混凝土+上部2/3 混凝土预制板（板下铺复合土工膜和苯板）；
渠底：卵砾石（下铺复合土工膜），具体见图3。形式三优点：透水性强、柔韧性好，适应地下水位较高地段；
缺点：稳定性差，易变形，网格内填充石块易被水流冲出导致整体变形，金属铁丝存在老化，维修难度大，易兜土挂绿，造成渠道淤积，清淤成本高。
图3 左岸格宾+混凝土板，右岸弧坡脚混凝土+预制板砌护
3.4 形式四：现浇混凝土边坡砌护，左右侧对称
梯形断面，渠道边坡1∶1.5，混凝土条形基础+混凝土护坡；
渠底：卵砾石（下铺复合土工膜），左侧设置格宾石笼，具体见图4。形式四优点：边坡稳定性和抗冻抗渗性能好，糙率小，水流速度快，平整美观，景观效果好，适用于城市段。缺点：适应变形能力较差，造价高。
图4 现浇混凝土边坡砌护
3.5 形式五：格宾+混凝土板砌护，左右侧对称
梯形断面，渠道边坡1∶1.75，格宾石笼基础+下部1/3 格宾护坡（下铺土工布）+上部2/3 混凝土预制板护坡（板下铺复合土工膜和苯板）；
渠底：卵砾石（下铺复合土工膜），具体见图5。优缺点同形式三。
图5 混凝土板+格宾砌护
3.6 形式六：弧底混凝土+预制板砌护，左右侧对称
弧形底面梯形断面，渠道边坡1∶1.75，下部1/3 弧脚混凝土（下铺苯板）+上部2/3混凝土预制板护坡（板下铺复合土工膜和苯板）；
渠底：卵砾石（下铺复合土工膜），具体见图6。形式六优点：防渗抗冻能力效果明显，不淤积，断面尺寸合理，整体性好。缺点：施工工艺复杂，铺板人工费用高。
图6 混凝土板砌护
4.1 优选合理砌护结构形式
选用渠道砌护结构形式，首先确定渠道地下水位变化范围、边坡地质和挖方渠道周围水环境。重点要在坡脚稳定性方面进行调整。对于流量小于10 m³/s的渠道，断面形式首选弧形底梯形断面；
城市段渠道砌护，需要更多考虑到渠道安全和美观性，宜以宽浅式的梯形断面为主；
选用格宾整坡面砌护，除了不美观以外，还存在淤积严重、易变形等问题，因此渠道坡面选用格宾砌护须谨慎，特别是在渠道下游段要慎用[7-8]。
4.2 优化勘察设计方案
一是地勘资料要详细、准确，为选择渠道砌护方式提供依据；
二是在挖方渠道左岸混凝土护坡段落设置排水孔，换填砂砾石，可有效减轻混凝土冻胀破坏；
三是在地下水位较高、地质条件复杂地段，边坡宜采用1∶1.75 或者1∶2。
4.3 控制施工过程
一是优化施工组织设计，针对灌区施工工期短的特点合理配置人员及设备，优化工序提高效率；
二是具体情况具体分析，例如：当施工过程中遇到地下水较高且出现明水时，优先考虑采用渠底中间开槽，龙头坑排水方案，若排水效果不佳，则应考虑机井降水；
三是对施工材料做好把控，例如混凝土做好塌落度控制，特别是浇筑弧形坡脚混凝土现浇段的塌落度控制。
4.4 加强日常运行管理
一是冬灌停水后立即通过退水闸排除渠道积水；
二是保障渠道维修养护资金到位，发现渠道破坏问题及时维修；
三是优化调度，采用轮灌等方式，避免小水位运行流速太小造成下游渠道淤积[9-11]。
属于西北寒冷地区的宁夏西干渠在渠道改造和养护过程中，综合考虑灌溉防洪等因素，在渠道衬砌方案选择上因地制宜，对主要的7 种方案进行比选。通过比选分析，要解决渠道渗漏、冻胀及淤积问题，选择合理的砌护形式是关键，应从设计流量、地质条件、地下水埋深及渠道走向综合考虑，本着“经济、合理、实用、美观”的原则选择砌护形式。要加强施工过程控制，严格落实质量检查与控制程序。在运行过程中，加强日常维护管理，形成科学管理制度，最大限度减轻渠道冻胀、渗漏和淤积，确保工程发挥最大效益。
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