小农水项目渠道防渗方式设计分析

黄晓鹏

保山市隆阳区水利电力勘测设计队，云南保山 678000

据统计，某些土渠以沙壤土作为渠道建设与防渗材料，粉砂质的土壤属性与较大的土壤缝隙使得渠道的输水渗漏损失高达70%[1]，难以满足农田灌溉以及地区用水的需求，一方面会加剧农田的欠收现象，严重违背灌溉工程设计的初衷；另一方面输水渗漏现象会导致灌溉工程受到大量的水流冲击，极易诱发沟道滑坡、山区泥石流以及地面塌陷等地质灾害，不利于农田灌溉工程的正常运行以及地区地质环境的维稳。

1 渠道防渗材料选择

渠道防渗材料众多，包括土料、水泥土、膜料、浆砌石、混凝土等，其中最常使用的是浆砌石、混凝土。不同的材料具有不同的防渗功效以及不同的防渗技术，在实际进行渠道防渗方式设计时，应当充分考虑渠道所在地区的地质环境条件、降雨量、水文条件、灌溉工程类型、工程输水量、农作物类型、农作物需水量等因素，并以此为基础，选择满足渠道施工费用预期报价的工程材料作为渠道的防渗材料，在满足实际水利应用需求的基础上保障渠道工程施工的经济效益与生态效益，达到灌溉工程的预期设计目标。

1.1 土料

土料中的材料主要包括灰土、粘土、三合土、四合土等，土料具有一定的黏性与可塑性，其土壤微粒的粒径相比于其他防渗材料而言较高，整体的稳定性与稳固性较差，容易受到水流的冲击而发生水流侵蚀与冲淤作用，难以有效控制渠道输水的流速与流向。由于土壤粒径较粗，渗水率相较于其他防渗材料而言更高。据统计，土料防渗每天每平方米的渗透量为0.06m3～0.17m3之间[2]，在寒冷的温度条件土壤中的水分会发生凝结作用改变土料渠道的形状，破坏土料渠道结构的完整性，因此其施工完成后需要进行精细化的维护与保养，以延长其使用周期。但是土料防渗与其他的防渗材料与防渗措施相比具有取材便捷、施工流程简单的优势，采用土料作为防渗材料只需就地挖取土壤将其夯实成固定的渠道形状，即可完成渠道的施工与防渗设计，在我国华东与华南地区的中小型渠道中被广泛使用。

1.2 水泥土

水泥土作为防渗材料，其防渗效果相较于单纯使用土料而言有所提升，由于水泥的混合作用，水泥土防渗的抗水流冲刷与侵蚀能力以及抗冻能力均高于土料防渗，因此其使用生命周期相对土料而言也有所延长。同时水泥土中的土料组分又具有就地取材的优势。因此，在暖温带、亚热带、热带地区经常会使用水泥土作为防渗材料，但是由于其本身强度有限，其所具备的抗冻、抗冷缩能力也无法满足在寒冷地区的输水要求。

1.3 膜料

膜料通常是指塑料防渗漏膜或者土工防渗漏膜，在渠道的表面铺设膜料可以有效隔绝水流的对渠道的渗入作用，据统计膜料防渗的渗漏量约为每天每平方米0.04m3～0.08m3，可以有效减少约90%的输水数量渗漏损失，防渗效果较好。通常常用的膜料包括塑料防渗漏膜与土工防渗漏膜，土工膜料的防渗效果较塑料防渗漏膜而言有一定的差距，但是其造价相对较低，占地面积也较大，通常应用于中小型低流速渠道建设与防渗措施中。塑料防渗漏膜的质量较轻，运输成本相对低廉，但是单位面积的防渗成本要远远高于土工防渗，通常应用于大型高流速渠道建设与防渗措施中。

1.4 浆砌石

浆砌石施工采用挤浆法分层砌筑，砌筑应先在基础面上铺一层3～125px厚的稠砂浆，然后安放石块，且将大面朝下，砌筑程序为先砌“角石”、再砌“面石”、最后砌“腹石”。由于砌石本身的硬度与耐磨性较土质材料相比具有更为明显的优势，其在抗水流冲刷、抗寒抗冻、防渗漏等方面能力较强。据统计，砌石防渗的渗漏量约为每公里0.3%～2%[3]，同时砌石防渗的材料获取费用相对较低，只需在当地山区或石头堆积处就地取材进行运输即可，节省渠道工程施工成本。尤其是在我国的西南部地区，由于地质活动相对频繁、山体滑坡与泥石流现象时有发生，从容易滑塌的傍山渠段以及石料较为丰富的山区采集砌石构筑渠道将会极大地降低工程造价。由于石块间空隙被充塞密实，因而具有更好的整体性、密实性和强度，可以防止渗水漏水，增加抵抗侵蚀的能力。近年来，浆砌石的使用范围有了进一步扩大，如为提高砌体抗拉和抗剪强度，在胶结材料层上铺设钢筋网或钢筋，加筋的或不加筋的浆砌块石建筑物设计的基本原理与混凝土或钢筋混凝土中常用的原理相似。在中国水利工程大量使用浆砌料石或浆砌块石，当渠道的水量溢出时，可以及时利用砌石进行渠道的加高与空缺填补，有利于渠道抢修工作的开展。

1.5 混凝土

应用混凝土作为防渗材料，可以使得渠道在大容量、高负载、高流速的水流作用下能够保持内部应力结构完善和平衡，充分利用混凝土材料的刚性与强度增强渠道的抗水流冲刷与侵蚀作用，使得渠道的耐磨性较强，渠道的使用寿命较长，降低渠道的维护与保养费用。同时，由于混凝土材质的致密性，利用混凝土作为防渗材料的渠道可以减少水流渗漏损失率高达90%以上，而混凝土筑成后其表面相对光滑，糙率系数较低，对水流流动产生的摩擦力较小，可以极大地提高渠道的输水能力，避免水体泥沙淤积现象的发生。

在大型水利工程设施与渠道防渗设计中，混凝土是使用最为普遍的工程防渗材料。由于混凝土凝固后坚硬如石，受压能力好，但受拉能力差，容易因受拉而断裂。为了解决这个矛盾，充分发挥混凝土的受压能力，常在混凝土受拉区域内或相应部位加入一定数量的钢筋，使两种材料粘结成一个整体，共同承受外力，这种配有钢筋的混凝土，称为钢筋混凝土。用钢筋和混凝土制成的一种结构，钢筋承受拉力，混凝土承受压力，具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。

2 渠道防渗结构设计与防渗措施

2.1 渠道选线设计

渠道选线是减少渠道水量渗漏的首要环节，自然环境与社会环境的选择都会影响渠道的防渗效果。若是在地形起伏度较大、地质活动相对频繁、地质环境相对复杂、地下水位较高、土壤质地相对松软的地段或区域建筑渠道，建筑地基的不稳定会影响渠道的牢固性与使用寿命，溶洞、地下暗河等地质状况下极易产生地面沉降。渠道在长时间的使用下会发生磨损与动摇，破坏渠道的完整性。人居环境也会对渠道的防渗效果产生一定的影响，若是将渠道修筑在道路等的规则地物无排水系统附近，强降雨带来的水量将全部进入到渠道这一低洼区域内，一方面会强化水流对渠道侧壁的冲刷能力，尤其是在暴雨条件下，渠道极易出现溢流状态，会破坏渠道防渗设施的基础。因此在渠道选线设计阶段，应当综合考虑当地的地质地形、降水量、人居环境等因素，选择土质强度较高、黏性较弱、致密性较好的区域作为渠道建筑区域，并注意避开公路、铁路等交通要线，以防止周围的积水向渠道流入。同时为了保证渠道输水的独立性，可以在渠道两侧以及渠道口上增加一定高度的混凝土盖板，使得渠道的入水口高于地面，并在防渗渠的两侧开挖截水沟，保证排水的通畅性。

2.2 渠道断面设计

渠道断面设计类型对渠道的水量防渗漏能力具有较大的影响，目前渠道设计中常见的断面形状包括U形、弧形坡脚梯形、弧形渠底梯形等。不同的断面形状具有不同的工程适宜场景。其中U形断面下的渠道具有良好的水利条件，其断面面积相较于其他两种断面而言较小，可以在一定程度上降低对土地资源的占用率，减少施工过程中的挖填土方量，通过更为内敛的渠道断面加快渠道内水体的流速，减少水体的泥沙堆积现象。同时，由于U型渠道具有较强的整体性，因此其防渗漏效果也较好，经常应用于中小型渠道断面设计中。弧形坡脚梯形断面的开口相对较大，水利半径较大，因此，以弧形坡脚梯形作为断面的渠道水体流速相对较缓，过水条件较好，湿周较小。弧形坡脚梯形与弧形渠底梯形的弧线起伏相对连贯，在渠道最为薄弱、最易发生伸缩缝开裂的渠道分缝处，弧形断面设计可以有效降低渠道的伸缩率，进而提升渠道的耐久性与使用寿命，经常应用于地下水位较高的大中型渠道断面设计中。常见的渠道断面型式有矩形、梯形、U型和复合型，其中，梯形断面的施工流程相对简单、施工复杂度较低。在边坡稳定性较高且地质特征无特殊问题的地区均可采用U型断面设计。弧形底型渠道适应冻胀变形能力强，在北方地区应用较多。矩形断面一般适合于硬质建筑材料的地区，如用卵石、石板及砭作衬砌材料的渠道。

3 结语

防渗材料与防渗结构设计是小农水项目渠道防渗方法设计中的重要环节，材料的致密性、渠道选线设计与渠道断面设计关系到渠道的使用寿命以及渠道输水渗漏损失率。因此，在实际的渠道防渗设计与施工过程中应当结合当地的自然与人文条件进行综合考量与防渗方案制定。

[1] 王丽原，杨晓玉. 桦川县小农水项目渠道防渗方式分析[J]. 黑龙江水利科技，2013，41（8）：166-167.

[2] 王小勇. 灌区节水改造工程中几种渠道防渗方式的应用[J]. 山西科技，2009（6）：141-142，145.

[3] 李安国. 渠道防渗工程技术[J]. 节水灌溉，1998（4）：6-8，45.