灌区渠道衬砌施工及结构稳定性研究

摘 要：渠道衬砌是灌区水利灌溉系统的重要组成部分，其可以保证灌溉系统稳定地运行。本文针对梯形截面的渠道衬砌结构，给出详细的施工流程，从影响渠道衬砌结构稳定性的渗流问题出发，构建饱和渗流模型和稳态渗流模型，说明了渗流速度、渗流流量和渗流系数等关键参数的关系。在渠道衬砌结构稳定性的测试试验中，本文施工方案得到的衬砌结构，在X、Y、Z这3个方向上的渗流流量都大为减少，表明衬砌结构具有很好的稳定性。

关键词：水利灌溉系统；渠道衬砌；饱和渗流模型

中图分类号：TV 52 " 文献标志码：A

灌区水利工程建设在国民经济总体结构中占有非常重要的地位。水利工程可以防止洪涝灾害、辅助灌溉，为日常生产和生活提供重要保障。要推动水利工程的更好发展，就需要建立完善的基础设施。灌区是水利工程基础设施的典型形式，通过修建各种水利工程，对种植区域面积上进行合理灌溉[1]。灌区不仅能为生产提供必要的水源，还能实现自然水利资源的二次分配，使其在灌溉的分配上更加合理[2]。灌区灌溉的水利系统一般由纵横交错的渠道构成，渠道衬砌是其中最重要的构成单元。在渠道衬砌的屏蔽作用下，引流水不会渗入土壤，从而可以高效地注入农田完成灌溉[3]。然而，如果施工技术不当加上使用年限增加，渠道衬砌就会出现漏点、裂缝，甚至导致渗流现象发生。渗流现象不仅会造成灌溉水资源的巨大浪费，还会导致渠道结构不稳定，从而给灌区的正常工作带来严重危害。因此，本文设计了渠道衬砌的合理施工流程，然后对其结构稳定性进行分析，并通过试验加以测试。

1 灌区渠道衬砌施工流程设计

1.1 渠道衬砌的截面设计

为了满足灌区引流灌溉的需要，水渠一般要采用梯形截面的明渠设计。梯形截面的明渠对地形反复变化的适应性强，渠内水流流速均匀，施工建设成本低，使用周期长。梯形截面的明渠设计如图1所示。

在梯形截面的明渠结构中，两侧通过混凝土密封加回填料。这种施工方法可以最大限度地利用明渠开挖时的原料，而使用混凝土又提高了衬砌边墙的强度。水流冲蚀腐蚀最严重的是衬砌底部，因此，明渠底部采用双层设计，上层仍然采用混凝土材料设置底板，下层就地取材或购置碎石形成垫层。

1.2 渠道衬砌的施工流程

首先，要挖掘灌区的灌溉水渠，将这个阶段的施工称为基坑挖掘。在基坑挖掘的过程中，要放线完成测量，给出确定的挖掘位置和挖掘范围。需要注意的是，对软土土质和硬土土质，要采取不同的挖掘方法。软土土质的挖掘过程中要配合支撑，避免塌方。对硬土土质来说，放坡开放挖掘即可。

其次，在水渠大体挖成后，要对底部进行回填，保证水渠底部坚实。在底部回填的过程中，要注意对杂物进行有效清除。回填一层，夯实一层，按照从下到上的顺序逐层夯实。每层的厚度以20cm左右为宜，夯实后要对平整度进行监测，然后要进行削坡处理。削坡的主要目的是保护渠道免受破坏，例如踩踏和冲刷。为了实现这个目标，削坡时必须保证表面平整，并严格控制高程。削坡通常采用人工挂线法，以保证施工精度和符合设计要求。使用这个方法可以保证削坡的准确性和平整度。如果削坡不足，就需要进行修坡，如果削坡过量，就需要回填夯实或填充同等级混凝土，保证渠道结构的稳定性和保障安全性。

边墙和底部衬砌施工的关键是混凝土的配比。施工时需要充分考虑混凝土的耐久性、抗渗性及抗冻性，保证工程的质量和长期稳定性。为了实现这些性能，要严格控制水泥、 砂石的配比，并采用高质量材料。在配比过程中，要严格按照图纸规范操作，保证每种材料的用量和比例符合设计要求。

最后，施工缝控制。这是整个施工流程的关键步骤。为保证结构完整性和稳定性，须采取措施预防和处理。在浇筑前，清理原混凝土表面的游离附着物和松散颗粒是关键，否则会成为施工缝源头。使用适当的工具和清洗剂打磨冲洗，保证表面干净。此外，对混凝土表面进行适当补浆，填补微小裂纹、气孔和不平整处，为新旧混凝土提供平滑接触面。在浇筑过程中，要保证混凝土连续性和均匀性，避免停顿或断层，减少施工缝。

2 灌区渠道衬砌施工的结构稳定性分析

在灌区渠道衬砌建成后，结构稳定性面临的最大安全隐患是渠内水流长时间冲蚀，在衬砌边墙或衬砌底部容易形成漏点或裂缝，从而导致渠内流水持续泄露，形成与地下水之间的渗流循环。一旦发生这种现象，不仅会导致灌溉水大量流失，还会对衬砌结构造成破坏、大大缩短渠道衬砌的使用寿命，破坏灌溉系统。

渗流涉及的主要参数包括渠内水流渗流的速度、渠内水流渗流的流量等。渗流一般发生在渠内水流和地下水系形成连通，且渠道周边土壤含水量不饱和之前，由此可以得到饱和状态下的渗流公式（1）。

（1）

式中：x为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后，周边土壤中发生渗流时的x向坐标；y为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后，周边土壤中发生渗流时的y向坐标；z为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后，周边土壤中发生渗流时的z向坐标；vx为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后渗流速度的x向分量；vy为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后渗流速度的y向分量；vz为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后渗流速度的z向分量；S为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后的渗流边界；H为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后的水头损失。

从饱和状态渗流方程可以延伸到稳态渗流方程，如公式（2）所示。

（2）

式中：Kx为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后在周边土壤中发生渗流的系数x向分量；Ky为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后在周边土壤中发生渗流的系数y向分量；Hz为渠内水流和渠道周边地下水系形成渗流后在周边土壤中发生渗流的系数z向分量。

采用公式（2）可以进一步得到地下水渗流过程中的不稳定渗流方程，如公式（3）所示。

（3）

从上述3个公式可以看出，在渠道衬砌建设过程中预防渗流发生，要明确渗流所发生的空间位置，包括x、y、z这3个方向上的坐标。同时，渗流特征描述要重点关注渗流速度指标，并需要对渗流发生时在空间的3个速度分量分别进行计算。渗流模型中还涉及渗流发生的边界，这可以限定渗流现象的区域范围。渗流区域所在的土质结构所具有的渗流系数以及渗流过程中的水头损失，也都会影响渗流的程度。由此可见，渠道衬砌的渗流过程是一个多参数交互影响的复杂过程。因此，需要基于这些复杂参数的共同考量表达渗流过程。

在渗流发生的过程中，在渠道衬砌及其周围的土壤中形成水流循环，会加速对衬砌结构的冲刷和腐蚀，这种持续的作用会导致渠道衬砌被破坏。渗流不仅具有冲刷和腐蚀作用，还会改变渠道衬砌所在区域的地质结构微系统，会导致渠道衬砌周边土壤应力状态，从而使渠道衬砌受到更多的影响和危害。因此，掌握渗流的规律特征，形成有效抑制和防护，是稳定渠道工作、延长渠道衬砌使用寿命的关键，也是本文研究的重点。

3 灌区渠道衬砌施工的结构稳定性测试试验

按照本文的方法完成灌区的渠道衬砌施工，得到更加便利、高效的水利灌溉系统。为了验证本文渠道衬砌施工的有效性，根据渗流对衬砌结构稳定性的影响，进行性能测试试验。要选择原有渠道衬砌10个关键点位，并对其进行测量，分别测量这些点位的X向渗流流量、Y向渗流流量、Z向渗流流量，并以10个点位的平均值为最终的测量结果。按照同样的方法，完成渠道衬砌施工后，仍然在原有的点位进行渗流测量，也检测这些点位的X向渗流流量、Y向渗流流量、Z向渗流流量，并以10个点位的平均值为最终的测量结果，然后对比二者之间的差异。

根据渠道衬砌的经验数据，实施衬砌保护后，渗流流量在持续的测量中会保持相对稳定。渗流形成流量储备需要一定时间，渗流流量的变化曲线不会是连续光滑或者渐进变化的形态，而是会呈现随测量时间上下波动、小幅度震荡的形态。但是，渗流流量变化的总体趋势是相对光滑的。通过测量衬砌施工前后的渗流流量数值，可以有效地观察渗流流量是否减少。

渠道渗流流量是一个体积型概念，因此会在X、Y、Z这3个方向上都存在渗流流量的分量。要观察渗流流量是否达到预期的减少目标，就需要分别在X、Y、Z这3个方向上进行测量，并对衬砌施工前后进行对比。

第一组试验：按照本文方法完成渠道衬砌施工后，通过试验观察渗流流量在X向的减少量比例。衬砌施工前后渗流流量在X向的对比如图2所示。

从图2可以看出，新施工的渠道衬砌系统，渗流流量在X向大为减少，在水流持续流动的过程中，X向渗流量最低减少81%，最高减少了92%。沿着观测时间轴线来看，X向渗流流量减少程度的变化符合实际情况，不是持续光滑变动，而是呈现上下波动、小幅度震荡的形态，且各个测量时间点之间的变化趋势是无规律的。

图2中的X向渗流对渠道衬砌造成的X向应力云图如图3所示。

从图2可以看出，渗流过程会产生应力，这种应力会加速渠道衬砌的底部和侧壁老化。按照同样的方法，进一步观察渗流流量在Y向的减少量比例，如图4所示。

从图4可以看出，新施工的渠道衬砌系统，渗流流量在Y向大为减少，在水流持续流动的过程中，Y向渗流量最低减少80%，最高减少了92%。

按照同样的方法，进一步观察渗流流量在Z向的减少量比例，如图5所示。

从图5可以看出，新施工的渠道衬砌系统，渗流流量在Z向大为减少，在水流持续流动的过程中，Z向渗流量最低减少78%，最高减少了88%。

4 结论

灌区灌溉的水利系统一般由纵横交错的渠道构成，渠道衬砌是其中最为重要的构成单元。在渠道衬砌的屏蔽作用下，引流水不会渗入土壤，从而高效地注入农田完成灌溉。本文以梯形明渠衬砌为主要结构形式进行施工，具体的施工流程包括基坑挖掘、回填夯实、削坡处理、混凝土配置、施工缝控制、伸缩量控制、混凝土振捣、衬砌养护。本文从衬砌渗流的角度出发，考察渗流对衬砌结构的影响，并给出稳定性分析的具体方法。通过3个方向上渗流流量来考察本文施工后的渠道衬砌结构的稳定性。

参考文献

[1] 刘浩齐，王兰兰，张红正，等.水利工程中农田灌溉防渗渠道衬砌施工技术分析[J].科技创新与应用， 2013（26）：1.

[2] 陈杰.水利工程中农田灌溉防渗渠道衬砌施工技术分析[J].文摘版：工程技术， 2015（13）： 92-95.

[3] 刘国峰，黄新磊，彭旭，等.输水渠道衬砌修复组合式围堰设备研发关键技术[J].中国水运， 2024， 24（4）： 24-28.