陆浑灌区高地下水位对渠道衬砌的影响分析

□周志平 □杨书统 □贾娟娟

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

陆浑灌区高地下水位对渠道衬砌的影响分析

□周志平 □杨书统 □贾娟娟

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

高地下水位是渠道设计中的常见问题，主要对渠坡和混凝土衬砌结构的稳定性产生不利影响，且在施工过程中也存在施工排水问题。文章以陆浑灌区东二干渠道高地下水位的设计和施工措施为例，浅析其设计的基本思路，为以后高地下水位在渠道衬砌设计和施工中提供参考。

陆浑灌区；高地下水位；渠道衬砌

1 引言

陆浑灌区位于河南省西部，设计灌溉面积89 493 hm2，跨黄河、淮河两大流域，受益范围为洛阳市的嵩县、伊川县、汝阳县、偃师市和平顶山市的汝州市及郑州市的荥阳市、巩义市共3个市7个县（市），总人口151.06万人，其中农业人口131.58万人。灌区现有总干渠1条，长44.40 km；东一干渠、东二干渠、西干渠、滩渠4条干渠，长233.40 km；支渠49条，长232.30 km。

东二干渠设计灌溉面积18 240 hm2，设计流量16.00 m3/s，全长52.20 km。现状渠道未进行护砌，渠道内杂草丛生，渠道内岸坡由于水流冲刷已凹凸不平，部分较高岸坡存在小冲沟现象。陆浑灌区续建配套与节水改造项目2015年度工程中东二干渠道处理范围为桩号1+655～7+759，全长6 104 m。工程处理措施为：将已老化破碎的混凝土全部拆除，按照设计断面进行整修，渠道采用C20混凝土衬砌，衬砌厚度10 cm，沿水流方向每隔5 m设一道横向伸缩缝，渠底两侧内坡脚处分别设一道纵向伸缩缝，缝宽2 cm，缝内采用闭孔泡沫板填充。

2 工程地质概况

东二干高地下水位渠段揭露地层岩性主要为第三系中始新统张家村组（E2Z），上部岩性以砾岩为主，局部为重粉质壤土，下部为粘土岩，描述如下：砾岩：灰色、灰白色，砾石成分多为褐红、红褐及灰白色钙质团块，直径一般为0.50～1.50 cm，成岩差，多呈散粒状，局部可见厚0.30 m，长1～2 m胶结较好的砾岩透镜体，岩石较坚硬。该层厚度不均，一般2.50 m左右，岩性也不均一，部分地段砾石含量少，为砾质粘土岩。主要分布在地表和干渠边坡上部。粘土岩：褐黄、棕红色，泥质结构，成岩差，多为硬塑状粘土，见有黑色铁锰质薄膜及斑点与灰绿色条纹，含钙质结核，直径一般2～10 cm。该层渠道开挖揭露厚度各处不一，一般1.50 m左右，岩性也不均一，部分地段钙质结核含量少。主要分布在干渠边坡下部和渠底。

该段渠顶高程一般为290.08～290.68 m左右，渠底高程286.28～286.88 m，渠深3.80 m，设计渠底宽3.10 m，为挖方渠段，渠顶基本与地面齐平。

施工过程中，据施工方介绍，该标段仅236 m渠底无水，其余渠段渠坡均有渗水。据现场察看，渠坡渗水段虽采取了排水措施，但渠底仍有积水，加之施工机械在渠底行进，导致渠底形成厚0.20～0.30 m的软塑～流塑状扰动土。据施工现场开挖情况看，上部砾岩透水但不含水，地下水主要从粘土岩中流出。经观察分析，地下水主要赋存在粘土岩上部，属上层滞水，该部位属大气影响带，影响带内裂隙发育，含钙质结核，地下水主要接受大气降水补给，沿砾岩层下渗，赋存于粘土岩上部裂隙中，并沿坡面排泄于渠道内，含水厚度不大，赋水性弱，根据裂隙发育和坡面渗水情况，类比其它类似工程经验，裂隙粘土岩属弱～中等透水。

3 工程处理措施

3.1 高地下水位对渠道衬砌的影响

在渠道线路的规划布置过程中，受沿线地形地质、降雨径流、水文地质等的影响，经常会遇到渠道穿越高地下水位的情况，对渠坡稳定和衬砌结构均产生不利因素。

一方面，由于地下水位以下的土体处于饱和状态，土体的物理力学性能指标和土体的抗剪强度指标较自然状态都有明显的下降，对渠坡的稳定计算产生不利影响；地下水沿渠坡存在水力梯度，产生一定的渗透力，土体的下滑力在地下水作用下明显增加，对渠坡的抗滑稳定也产生不利影响，所以，在高地下水位渠段需重新复核渠道边坡的稳定计算。

另一方面，为提高输水效率，减少渠道的渗水量，陆浑灌区东二干渠道衬砌时采用的是土工膜复合防渗措施，防止渠道内水外渗，横向伸缩缝底部铺设50 cm宽防渗土工膜，渠底两侧伸缩缝底部铺设65 cm宽防渗土工膜。当地下水位高于渠底高程时，在渠道过水情况下，因渠道内灌溉水位高于地下水位，对衬砌板的影响较小，但当渠道内无水时，就存在衬砌板下的地下水产生的浮托力大于衬砌板的自重，将衬砌板顶坏的现象。所以，需复核渠道底板的抗浮稳定计算，必要时加大衬砌板的厚度以增加衬砌板的自重，保证渠底衬砌板的结构稳定。

此外，一般高地下水位在冬季还易出现土体的冻胀和冻融破坏问题。但根据地质资料和现场查勘情况来看，陆浑灌区因冬季少雨干旱，渠道内不存在地下水外渗现象，对渠道衬砌结构影响较小。

3.2 工程处理措施

东二干渠现状大部分为土渠，几处填方坝渠段为年久失修的混凝土衬砌段，现状已经破损严重。一方面，汛期降雨入渗补给地下水使地下水位抬高，另一方面，在渠道放水灌溉期间，渠道内灌溉水也会补给地下水，当渠道内无水时，渠坡两侧的地下水就会入渗到渠道内，造成部分渠坡出现坍塌现象。

陆浑灌区续建配套阶段，东二干渠道采用的是全断面混凝土衬砌结构型式，分缝处采用土工膜复合防渗，渠道内外水不允许交换。当地下水位高于渠底、而渠道内又无水的情况下，地下水产生的浮托力就会使衬砌板顶托破坏，所以应采取一定的工程措施，保证渠道衬砌结构的稳定，设计时主要考虑了两种方案。

方案一，加大地下水位以下部分的渠道衬砌板厚度以满足抗浮要求。这种方案不会影响渠道的综合糙率，对渠道的过流能力影响较小，但对地下水位较高的渠段，为满足衬砌板的抗浮稳定，渠道衬砌厚度一般得加大至0.50 m以上，因渠道线路比较长，工程投资比较大，经济性较差。

方案二，排水措施。在地下水位以下部位采用无砂混凝土块使渠道内水与地下水连通，以降低渠道衬砌板内外水头差，减小扬压力，保证渠道衬砌板不被浮托力破坏。渠道排水采用无砂混凝土块，两侧渠底及渠坡各布置一排，渠坡无砂混凝土块底边距渠底0.30 m，渠底无砂混凝土块外边距伸缩缝0.10 m，顺水流向间距1.50 m。①无砂混凝土块采用圆形，直径200 mm，厚度0.10 m，无砂混凝土块下铺设300 g/m2土工布，四周各宽出无砂混凝土块20 cm。②无砂混凝土块下铺设砂砾料，渠坡砂砾料铺设于无砂混凝土块下，将其下的老旧混凝土凿除，再下挖10 cm，回填砂砾料并压实，砂砾料回填尺寸为40cm× 40cm×20 cm。③渠底砂砾料沿渠段全长铺设，将其下的老旧混凝土切除，宽度为42 cm，回填砂砾料并压实。④无砂混凝土技术指标为：混凝土强度为C10，渗透系数≤2×10-1cm/s，施工前应通过试验对无砂混凝土的技术指标进行复核。⑤砂砾料要求粒径≤20 mm，5～20 mm粒径含量应达到50%～70%。砂砾料级配连续，不含植物残体、垃圾等杂质。

方案二较方案一能大大节约工程投资，但主要问题是加大了该渠段的综合糙率，对渠道过流有一定影响，但因陆浑灌区为续建配套工程，在治理过程中遵照“先上游后下游、先急后缓、注重效益、集中联片”的原则，主要安排渠道中存在坍塌、渗漏等问题严重、影响渠道通水的渠段，待整个续建配套工程全部完工时，渠道的综合糙率是满足设计要求的。

3.3 施工处理措施

根据地质报告中的描述，汛期降雨入渗使区域地下水位抬高，施工期间地下水位高于渠底，存在施工排水问题，粘土岩富水性差，采取明沟排水是可行的，但现场集水排水坑偏少、偏浅，应加强排水工作，增加集排水坑密度和深度，增加排水设施，进行有效降水，保证干地施工。

此外，对于渠底施工扰动形成的厚0.20～0.30 m的软塑～流塑状土应予以清除，超挖部分可采取中粗砂或级配砂卵石填筑，另外粘土岩一般具弱膨胀潜势，施工时应快挖快填，尽量减少暴露时间，以防渠坡胀缩变形，影响渠坡稳定。

4 结语

高地下水位渠段的处理是灌区渠道衬砌设计中的主要技术问题，严重影响渠道的运行安全。因陆浑灌区东二干渠道地下水位较稳定，采用无砂混凝土块施工简单，也能满足设计要求，经济性较好，从已施工的陆浑灌区续建配套工程验收结果来看，该方案处理措施效果良好，为其它灌区工程处理类似问题提供参考。

［1］吴剑疆，邵剑南.南水北调中线一期工程总干渠高地下水位渠道设计主要问题及对策措施[J].水利水电技术.2014（11）.

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1673-8853（2017）03-0095-02

2016-12-21

编辑：刘长垠 韦诗佳

周志平（1984-），女，工程师，主要从事水利设计工作。