灌溉渠道防渗选型与设计浅析

杨继松，吕彦伟

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

灌溉渠道输水过程中面临渗漏损失，尤其是砂性土或上黏性土下砂性土双层结构可能存在浸没问题的渠道，渠道的渗漏水量不仅降低了渠系水的利用系数，减少了灌溉面积，浪费了水资源，还会引起地下水位上升，导致农田浸没渍害，在有盐碱化威胁的地区还会引起土壤的次生盐碱化，如渠坡发生渗透破坏，甚至会危及工程的安全运行。为了减少渠道输水损失，提高渠系水利用系数，避免对渠外农田产生浸没影响和渠堤渗透破坏，在渠道设计中应针对渠道的地形、地质条件，进行渠道防渗设计，减少渗漏损失水量，保障工程安全，降低对周边农田的浸没影响。

以某大型灌溉渠道为例，对渠道防渗设计型式的比选、土工膜防渗渠道设计及相关计算进行论述，为灌溉渠道防渗工程设计提供参考。

1 工程概述

某大型灌溉渠道设计流量超过300 m3/s，纵向坡比1/25000，采用梯形复式断面，底宽30 m，渠基为砂性土渠段占渠道总长的85.0%，渠道渗漏问题突出，且渠坡砂性土可能产生的渗透变形类型为流土或管涌，不同地层允许坡降J如下：级配不良细砂（粉土质细砂）J允=0.35（流土）；级配不良中砂（含细粒土中砂）J允=0.25（流土）；级配不良（良好）粗砂（细砾）J允=0.20（管涌）。

渠道两侧黏性土层较薄，地下水位较高，工程运行后渠水位高于地下水位的上黏性土下砂性土双层结构部分渠段可能产生渠道浸没。参考经验值，沿线农作物区地下水埋深临界值为黏性土2.0 m（毛细水上升高度1.5 m，土壤层0.5 m），细砂1.0 m，粗砂、砾0.5 m。

根据地质建议，选取有渗漏和浸没问题的渠段进行防渗设计。

2 防渗方案比选

渠道防渗措施主要有混凝土防渗、黏土斜墙防渗、复合土工膜斜墙、心墙防渗以及垂直防渗墙等形式［1］。由于工程地处严寒地区，渠段防渗处理如采用混凝土板，冬季冻胀问题不易解决，混凝土板将产生冻胀变形从而破坏渠道。而渠道沿线主要以砂性土为主，黏土料需外运，造价高不经济，所以在进行防渗方案比选时，主要考虑复合土工膜防渗和垂直防渗墙两种型式。针对两种防渗型式进行设计，分别计算工程投资并对比分析，从而选定防渗方案。

2.1 方案1：复合土工膜防渗方案

渠道内部铺设复合土工膜方案，具体防护措施为渠底下2 m、渠坡下1 m铺设复合土工膜，其上覆土，以阻断渠道内、外水流的渗流通道。深埋土工膜顶部高程至设计水位以上0.5 m再加以渠坡双侧护砌、混凝土固脚，格宾护脚以保护渠坡稳定，渠坡防护高度至渠顶。复合土工膜防渗方案的渗流场及浸润线，如图1所示。

图1 复合土工膜防渗断面浸润线及渗流网

2.2 方案2：防渗墙方案

渠道设置垂直防渗墙方案，具体防护措施为在渠道两侧堤岸中间位置处从顶部开始设置防渗墙，经过计算，防渗墙深度15 m时防渗墙方案的渗流场及浸润线如图2所示。

图2 垂直防渗墙断面浸润线及渗流网

从计算结果可以看出，采用复合土工膜防渗后，渠水对地下水位基本不产生影响；采用防渗墙方案后，渠水对地下水位的影响随着防渗墙深度加深而逐渐降低，当防渗墙深度15 m时，渠道两侧管理区范围外地下水最小埋深2.5 m，满足农作物区地下水埋深临界值要求，渠堤两侧不会产生浸没影响。两种方案渠堤外边坡均不会产生渗透破坏。

两个方案投资情况，详见表1。

表1 两个方案投资对比元

经对比分析，土工膜方案投资要低于防渗墙方案，因此有渗漏和浸没问题渠段防护措施采用渠内铺设土工膜方案。

3 复合土工膜保护层抗滑稳定分析

本工程部分渠段采用复合土工膜防渗，土工膜外设置覆土保护层，由于土工膜防渗隔水作用，覆土与膜面间可能存在薄层水膜，使其抗剪强度降低，致使边坡稳定性下降，选取典型渠段对土工膜保护层稳定进行验算。

土工膜上回填覆土，底板覆土厚2.0 m，边坡覆土厚1.0 m；内开挖边坡为1∶2.5，外回填边坡为1∶3.0，地下水位低于渠底。

计算方法根据《渠道防渗衬砌工程技术标准》（GB50600-2020）中规定，埋铺式膜料防渗渠道土保护层边坡的稳定分析宜采用简化简布法，保护层失稳示意如图3所示，简化简布法计算如图4所示。边坡稳定安全系数按下式计算：

图3 土保护层失稳示意

图4 简化简布法计算

式中：bi为土条分条的宽度（m）；ai为Ni与铅垂线的夹角（°）；Ni是滑动面对土条的支撑力（kN），方向与滑动面垂直；φi为滑动面上的土或土与膜料间的内摩擦角（°），土工膜与土壤之间摩擦角一般在8°～30°，参考国外经验边坡坡度为3∶1（18.4°）［2］；ci为滑动面上的土或土与膜料间的黏聚力（kPa）；FS为边坡稳定安全系数；γ、γm、γ'分别为滑土条的湿重度、饱和重度、浮重度（kN/m3），最高水位以上的土重按湿重度计算，计算滑动力时最高水位至骤降后的水位间的土重按饱和重度计算、骤降水位以下的土重按浮重度计算，计算抗滑力时最高水位以下的土重均按浮重度计算；hi1、hi2、hi3分别为相应于γ、γm、γ'的高度（m）。

根据《渠道防渗衬砌工程技术标准》（GB50600-2020），覆土保护层边坡稳定分析的控制工况应为渠水位骤降期［3］。

考虑到复合土工膜上铺设土料位置位于渠底至距渠底4 m下边坡范围内，因此水位在下边坡0～4 m范围内骤降，渠道水位降落速度为0.3 m/h。

经计算，典型渠道土工膜抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

4 复合土工膜防渗型式应注意几点问题

采用复合土工膜防渗措施，应注意如下问题。

（1）应根据渠道的规模、防渗等级要求以及合理使用年限等分析复合土工膜防渗措施是否适用。

（2）地下水位高于渠底时，应设置排水设施，不应在地下水位以下设置土工膜。

（3）复合土工膜性能指标、施工方法应符合现行国家标准相关规定。

（4）复合土工膜施工质量对工程的防渗效果至关重要，因此须按施工工序精心施工［4］。

5 结论

（1）灌溉渠道设计流量较大且渠基为砂性土渠段占比较大时，渠道沿线渗漏问题突出，亦可能有浸没和渗透破坏问题，设计中应充分考虑渠道防渗措施并进行方案比选。

（2）本文结合工程实际，选择复合土工膜和防渗墙两种防渗型式进行比选，从节省投资角度分析土工膜防渗更具优势［5］。

（3）应结合渠道规模、抗渗等级及合理使用年限等要求分析复合土工膜作为防渗材料是否合适，复合土工膜性能指标、施工方法应符合现行国家标准相关规定。