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阿瓦提县建设防渗渠道方案探讨（新疆维吾尔自治区阿瓦提县水利局，史经海843200）摘要：1995以来，新疆维吾尔自治区阿瓦提县累计完成1352km的防渗渠道建设，提高了渠系水利用系数，降低了地下水水位，节水效果明显，同时改善了农田基础设施建设水平，带动和发展了当地少数民族区域经济。20年的防渗渠道建设，有成功，也有失败，文章阐述了防渗渠道在当地的建设和使用情况，分析了失败、损坏的原因，推荐了设计方案供参考。关键词：防渗渠道；类型；运行状况；设计方案；阿瓦提县前言阿瓦提县（――中国棉城）位于天山南麓，塔克拉玛干大沙漠北缘，具有独特的水土光热资源，也是典型的农业灌溉县。它不仅是全国优质棉生产基地，同时还是中国长绒棉之乡、刀郎文化之乡。县域总面积1.33万km2，总人口23.75万，控制灌溉面积168万亩，各类草场243万亩，原始胡杨林、沙棘、红柳林140万亩。1995年以来，通过阿瓦提县历届县委、政府的努力，全县已逐步建成了引、输、灌、提、排、防洪、农村安全饮水等一批水利基础设施，形成了10多亿元的水利固定资产。建成干渠23条，长386.3km，支渠119条，长549.3km，斗渠3019km，其中防渗渠道长1352km。1、自然概况1.1气候、气象阿瓦提县属温带大陆性气候区。气候干燥，降水量小，蒸发量大，夏季炎热，冬季寒冷；霜期短，日照长，热量丰富，昼夜温差大。春季多风，间或出现浮尘和低温天气。（1）灌区年均日照时数为2935.0小时。（2）气温：年均气温10.8℃，最热月（七月），最冷月（元月），≥10℃有效积温4000℃以上，适于水稻、棉花特别是长绒棉种植，无霜期193天。（3）降水和蒸发：灌区平均年降水量45.7mm，年均蒸发量2060.6mm，是降水量的45倍，降水对农业没有实际意义，农业全部依靠灌溉。（4）冻深：最大冻土深度62cm。[1]1.2地貌、地质灌区处于阿克苏河下游细土冲积平原，总的地形是北高南低，西高东低，由西北向东南微倾斜，地形坡度1/3000—1/4000，地形较平坦，地层主要是第四系全新统河流冲积物。地表及其上部岩性一般是粘土、粉土，厚度一般5—6m，最大厚度10余米，其下是深厚的粉细砂。[2]1.3水资源2014年根据“三条红线”和塔里木河流域限额引水指标要求，限定引用地表水量8.57亿m3，地下水最大可开采量1.1亿m3，亩均毛灌溉用水量555m3，建设防渗渠道、平整土地、发展滴灌等节水技术，提高水资源的利用率，成为农业发展的保障措施，其中防渗渠的节水效果是最为显著。2、防渗渠道建设状况2.1建设发展史1995年以来，经历了20年的发展，分为尝试阶段和快速发展两个阶段。1995~2000年是尝试阶段，通过“以棉补水”项目，水利局提供水泥和技术人员，乡镇政府组织农民投工投劳进行施工，建设各类防渗渠道，目前已全部损毁。1995~1997年世行贷款建设的骨干渠道，混凝土护面经多次维修，基本能满足使用要求，但效果已不好，可以重新建设。进入新世纪2001年以后，随着西部大开发和塔里木河近期综合治理项目的全面启动，大规模的防渗渠道建设全面展开，历时13年，投资4.33亿元，27项工程，建设各类防渗渠道560km。2.2建设的类型全县建设的防渗渠道类型很多，按结构类型分有双防结构和单防结构。其中双防结构是主要类型，双防结构按防护层的不同又分为预制混凝土板+塑膜防护防渗结构、现浇混凝土板+塑膜防护防渗结构和预制水泥土混凝土板+塑膜防护防渗结构。边坡主要采用预制混凝土板+塑膜防护防渗结构，底板多采用现浇混凝土板+塑膜防护防渗结构。双防结构采用的防冻体的材质有细砂、聚苯乙烯泡沫板（以下简称：苯板）、自然砾石和混合材质。单防结构有预制混凝土板单防和塑膜单防结构。按横断面型式分，有梯型、矩型和U型等，其中采用梯型较多。3、运行使用状况全县建设各类防渗渠道1352km，其中，双防结构渠道711km。干、支渠由县乡两乡水管站进行管理，斗、农渠由村（连）进行管理，管理水平较为落后，管护不到位，在很大程度上影响了渠道的使用寿命，但是影响渠道运行和破坏的关键因素还是设计方案。其设计引水高程、纵坡、结构、材质及尺寸影响渠道的耐久性和运行安全非常明显，下面将按影响的不同进行分述。3.1高程、纵坡引水高程和纵坡是影响渠道耐久性和运行安全的关键因素。如果引水高程设计偏低，纵坡偏陡，渠身下切，将引起分水困难，农民将会势必采用澭水的办法分水，对渠深较小的渠道，易造成漫渠，引发防冻体水饱和，局部渠段破坏。如果引水高程设计偏高，纵坡缓，渠道高填，将可能引起上级渠道的澭水，但对本级渠道运行是较为安全。因此合理选择引水高程和纵坡极为关键，在灌区内部，土地未经集中整理的区域，必须对原始渠道的最高水位进行测量，以高水位定纵坡，切忌不能以渠底定纵坡。3.2横断面型式按横断面型式分，有梯型、矩型和U型，采用梯型较多。矩型渠多采用重力墙结构，造价高，稳定性和耐久性都非常好，由于造价太高而很少采用。在农渠或少数斗渠上采用U型渠，U型渠的特点是施工快，断面更符合水力学要求，但在该县U型渠的破损非常严重，并且维修不便。主要原因：一是施工防冻体很难达到设计要求，U型槽的上部近似于垂直，背后的防冻体为后期施工，即U型板先安装完成，再填防冻体，防冻体通过浸水自然密实。在运行过程中，防冻体风吹雨浸，农耕人员活动等，U板垂直段持续受到防冻体向渠内的压应力，最后在U板的弧线段与直线段交接处形成应力集中，发生断裂。该县英艾日克乡卡其灌区斗渠和拜什艾日克干渠夏克村段共计实施斗渠20km，经过6~8年的运行，破坏较为严重。在运行中，局部维修使用的U型板数量少（型号不一），预制企业为其少量生产，成本高，导致维修保养不及时，破损扩大化。梯型断面是主要采用的结构断面型式（大断面梯型渠道梯脚弧形优化）。梯型断面结构较为简单，边坡m=1.5或m=1.75，在流量较大的渠道上，根据地质报告推荐，边坡坡度m=1.75，例：老大河中段（设计流量100m3/s，2001年建成通水）、丰收总干渠上段（设计流量49m3/s，2001年建成通水）、玉满总干渠（设计流量33m3/s，2007年建成通水）等，运行情况良好，边坡稳定。在流量较小的干渠和支渠上边坡m=1.5，但在运行5~8年后，发现边坡下部开始隆起（细砂垫层防冻），边坡呈现抛物线型，部分渠段坡脚出现破坏。多浪奎坦木干渠（2001年建成通水）已出现较大面积的坡脚破坏，原因有右堤车辆通行碾压，挤压破坏，也有长时间的防冻体雨水渗入和渠道渗水进入防冻体，通过长期多次的冻融循环，防冻体内的微细颗粒不断在防冻体的坡脚沉积，最终防冻体的抗冻效果降低，造成边坡的破损。在梯型断面中采用弧形坡脚的，运行稳定状况优于未设弧形坡脚的。玉满总干渠采用的弧型坡脚，未出现坡脚的破坏，老大河与丰收总干渠未采用弧型坡脚，在边坡与底板的交汇处，应力集中，局部出现破坏（每年都进行维修，运行成本高）。3.3材质双防渠道防护的材质，防冻体的材质与防渗膜的材质不同同样影响渠道的耐久性和运行安全。该县防护材料采用过预制混凝土六棱板，预制水泥土六棱板和现浇混凝土板三种。其中：1998年采用预制水泥土六棱板建设了2km的试验段，经过4~5年的运行全部冻胀破坏，已于2006年重修。边坡采用预制混凝土六棱板，渠底采用现浇混凝土板已成为该县的通用结构型式，混凝土的强度、厚度、抗冻和抗渗是影响耐久性的主要指标。在2002年以前，混凝土设计强度C15，抗冻和抗渗指标未注明，水泥采用普通硅酸盐；2002以后，混凝土设计强度C20，抗冻F150、抗渗W6，水泥采用普通硅酸盐。混凝土设计强度C15的渠道运行多年后出现大面积的板面剥蚀现象，其中丰收总干渠混凝土表面剥蚀较为严重。该县预制混凝土六棱板的厚度全部为6cm，现浇混凝土渠底厚度一般为8cm，这种厚度在耐久性上因施工控制水平不同，差异较大，建议在投资允许的情况下，适当增加厚度。防冻体的材质选择与厚度设计对渠道的运行安全影响很大。县域内最大冻深62cm，选择细砂（当地风积沙）作为防冻垫层，造价低，被广泛，厚度一般设计阴坡40~50cm，阳坡50~60cm，渠底50~60cm。抗冻效果一般，影响或降低其抗冻效果的主要原因有三种，一是细砂垫层施工属湿作业，要控制含水率和压实度，施工较为繁杂，质量控制困难。二是运行多年后在细砂垫层中生长植物，使细砂垫层逐渐失去抗冻胀能力，在2010年乌鲁却勒干渠（1998年建成）维修过程中，对一个冻胀区进行拆除，打开塑膜密密实实的芦苇根和柳树根，是破坏的直接原因。三是水饱和时失去抗冻性，运行多年后的防渗渠道，混凝土板和塑膜都有破损，导致细砂垫层局部水饱和，冬季发生冻胀破坏。选择苯板作为防冻体，造价高，横断面宽度小，施工快，厚度一般设计4~6cm，密度大于等于20kg/m3。从苯板防冻渠道多年运行情况来看抵抗外部活动的能力差，易损坏。首先，苯板密度小，浮力大，怕地下水位高或水进入塑下。例：在拜什艾日克干渠上段运行中，伴行的斗渠运行管理不到位，漫渠跑水，水流向干渠，水进入塑膜下部，造成300m干渠底板、边坡浮托变形破坏。其次，在日常生活中，不可避免农耕人员进入渠道活动，对混凝土表面形成冲击，产生冲击荷载，造成混凝土预制护坡板的填缝松动，引发隐性破坏，长时间隐性破坏积累出现局部的明显破坏。塑膜作为防渗渠防渗的灵魂，90%防渗任务由塑膜承担。全县曾经使用过的塑膜类型，按材质分有聚乙烯膜和聚氯乙稀膜，聚乙烯膜价格高，抗老化能力强，聚氯乙烯膜价格低，使用效果相当，现在主要使用的是聚氯乙烯膜。按厚度分有0.18mm，0.3mm和0.5mm三种。0.18mm塑膜主要用于单防，组织农民对斗农渠防渗，现已基本损坏。0.3mm是使用最多的，0.5mm是使用情况最好的，0.3mm塑膜和0.5mm塑膜的主要差距是在施工中体现的，0.3mm的膜易破损，修补的工作量大，很难监督到位，在工程质量检查中，虽然对破损未补作为处罚重点，但是在维修阶段仍发现很多破损遗留。塑膜的破损造成细砂垫层防冻体水饱和，冻胀破坏，苯板防冻体浮托破坏。0.5mm塑膜施工中不易破损，易监督，但造价高，很多工程由于投资限制，无法采用0.5mm的塑膜。4、建议综合全县的防渗渠道的设计、建设、运行管理情况，推荐在工程设计阶段需重点考虑和提高：一是易高不易低，低处忌苯板。渠道能修高点，不修低，修低易受地下水影响，易冻胀，易漫溢，且在渠顶低于地表面时，不可选用苯板为防冻体。二是易厚不易薄，薄处是短板。预制混凝土六棱板厚度为8cm，底板现浇混凝土厚度10cm，塑膜选用0.5mm，提高渠道的耐久性，选用6cm板，0.3mm塑膜易损，耐久性差。三是优选梯型设弧脚，规避U型板。在横断面设计优先选择梯型，设弧型坡脚，少用或在农渠上使用U型，支、斗渠不选择U型。参考文献：[1]新疆生产建设兵团设计研究院，阿瓦提县高效节水规划，2007，8~9[2]新疆地矿局第二水文地质工程地质大队，新疆阿瓦提县灌区农业供水水文地质勘查报告，2000，15~37