摘 要：渠道襯砌是灌區(qū)水利灌溉系統(tǒng)的重要組成部分，其可以保證灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。本文針對(duì)梯形截面的渠道襯砌結(jié)構(gòu)，給出詳細(xì)的施工流程，從影響渠道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的滲流問(wèn)題出發(fā)，構(gòu)建飽和滲流模型和穩(wěn)態(tài)滲流模型，說(shuō)明了滲流速度、滲流流量和滲流系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系。在渠道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的測(cè)試試驗(yàn)中，本文施工方案得到的襯砌結(jié)構(gòu)，在X、Y、Z這3個(gè)方向上的滲流流量都大為減少，表明襯砌結(jié)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：水利灌溉系統(tǒng)；渠道襯砌；飽和滲流模型

中圖分類號(hào)：TV 52 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

灌區(qū)水利工程建設(shè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)總體結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位。水利工程可以防止洪澇災(zāi)害、輔助灌溉，為日常生產(chǎn)和生活提供重要保障。要推動(dòng)水利工程的更好發(fā)展，就需要建立完善的基礎(chǔ)設(shè)施。灌區(qū)是水利工程基礎(chǔ)設(shè)施的典型形式，通過(guò)修建各種水利工程，對(duì)種植區(qū)域面積上進(jìn)行合理灌溉[1]。灌區(qū)不僅能為生產(chǎn)提供必要的水源，還能實(shí)現(xiàn)自然水利資源的二次分配，使其在灌溉的分配上更加合理[2]。灌區(qū)灌溉的水利系統(tǒng)一般由縱橫交錯(cuò)的渠道構(gòu)成，渠道襯砌是其中最重要的構(gòu)成單元。在渠道襯砌的屏蔽作用下，引流水不會(huì)滲入土壤，從而可以高效地注入農(nóng)田完成灌溉[3]。然而，如果施工技術(shù)不當(dāng)加上使用年限增加，渠道襯砌就會(huì)出現(xiàn)漏點(diǎn)、裂縫，甚至導(dǎo)致滲流現(xiàn)象發(fā)生。滲流現(xiàn)象不僅會(huì)造成灌溉水資源的巨大浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致渠道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而給灌區(qū)的正常工作帶來(lái)嚴(yán)重危害。因此，本文設(shè)計(jì)了渠道襯砌的合理施工流程，然后對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)加以測(cè)試。

1 灌區(qū)渠道襯砌施工流程設(shè)計(jì)

1.1 渠道襯砌的截面設(shè)計(jì)

為了滿足灌區(qū)引流灌溉的需要，水渠一般要采用梯形截面的明渠設(shè)計(jì)。梯形截面的明渠對(duì)地形反復(fù)變化的適應(yīng)性強(qiáng)，渠內(nèi)水流流速均勻，施工建設(shè)成本低，使用周期長(zhǎng)。梯形截面的明渠設(shè)計(jì)如圖1所示。

在梯形截面的明渠結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)通過(guò)混凝土密封加回填料。這種施工方法可以最大限度地利用明渠開挖時(shí)的原料，而使用混凝土又提高了襯砌邊墻的強(qiáng)度。水流沖蝕腐蝕最嚴(yán)重的是襯砌底部，因此，明渠底部采用雙層設(shè)計(jì)，上層仍然采用混凝土材料設(shè)置底板，下層就地取材或購(gòu)置碎石形成墊層。

1.2 渠道襯砌的施工流程

首先，要挖掘灌區(qū)的灌溉水渠，將這個(gè)階段的施工稱為基坑挖掘。在基坑挖掘的過(guò)程中，要放線完成測(cè)量，給出確定的挖掘位置和挖掘范圍。需要注意的是，對(duì)軟土土質(zhì)和硬土土質(zhì)，要采取不同的挖掘方法。軟土土質(zhì)的挖掘過(guò)程中要配合支撐，避免塌方。對(duì)硬土土質(zhì)來(lái)說(shuō)，放坡開放挖掘即可。

其次，在水渠大體挖成后，要對(duì)底部進(jìn)行回填，保證水渠底部堅(jiān)實(shí)。在底部回填的過(guò)程中，要注意對(duì)雜物進(jìn)行有效清除?；靥钜粚?，夯實(shí)一層，按照從下到上的順序逐層夯實(shí)。每層的厚度以20cm左右為宜，夯實(shí)后要對(duì)平整度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后要進(jìn)行削坡處理。削坡的主要目的是保護(hù)渠道免受破壞，例如踩踏和沖刷。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，削坡時(shí)必須保證表面平整，并嚴(yán)格控制高程。削坡通常采用人工掛線法，以保證施工精度和符合設(shè)計(jì)要求。使用這個(gè)方法可以保證削坡的準(zhǔn)確性和平整度。如果削坡不足，就需要進(jìn)行修坡，如果削坡過(guò)量，就需要回填夯實(shí)或填充同等級(jí)混凝土，保證渠道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和保障安全性。

邊墻和底部襯砌施工的關(guān)鍵是混凝土的配比。施工時(shí)需要充分考慮混凝土的耐久性、抗?jié)B性及抗凍性，保證工程的質(zhì)量和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)這些性能，要嚴(yán)格控制水泥、 砂石的配比，并采用高質(zhì)量材料。在配比過(guò)程中，要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙規(guī)范操作，保證每種材料的用量和比例符合設(shè)計(jì)要求。

最后，施工縫控制。這是整個(gè)施工流程的關(guān)鍵步驟。為保證結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，須采取措施預(yù)防和處理。在澆筑前，清理原混凝土表面的游離附著物和松散顆粒是關(guān)鍵，否則會(huì)成為施工縫源頭。使用適當(dāng)?shù)墓ぞ吆颓逑磩┐蚰_洗，保證表面干凈。此外，對(duì)混凝土表面進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)漿，填補(bǔ)微小裂紋、氣孔和不平整處，為新舊混凝土提供平滑接觸面。在澆筑過(guò)程中，要保證混凝土連續(xù)性和均勻性，避免停頓或斷層，減少施工縫。

2 灌區(qū)渠道襯砌施工的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

在灌區(qū)渠道襯砌建成后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性面臨的最大安全隱患是渠內(nèi)水流長(zhǎng)時(shí)間沖蝕，在襯砌邊墻或襯砌底部容易形成漏點(diǎn)或裂縫，從而導(dǎo)致渠內(nèi)流水持續(xù)泄露，形成與地下水之間的滲流循環(huán)。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，不僅會(huì)導(dǎo)致灌溉水大量流失，還會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)造成破壞、大大縮短渠道襯砌的使用壽命，破壞灌溉系統(tǒng)。

滲流涉及的主要參數(shù)包括渠內(nèi)水流滲流的速度、渠內(nèi)水流滲流的流量等。滲流一般發(fā)生在渠內(nèi)水流和地下水系形成連通，且渠道周邊土壤含水量不飽和之前，由此可以得到飽和狀態(tài)下的滲流公式（1）。

（1）

式中：x為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發(fā)生滲流時(shí)的x向坐標(biāo)；y為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發(fā)生滲流時(shí)的y向坐標(biāo)；z為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后，周邊土壤中發(fā)生滲流時(shí)的z向坐標(biāo)；vx為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的x向分量；vy為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的y向分量；vz為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后滲流速度的z向分量；S為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后的滲流邊界；H為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后的水頭損失。

從飽和狀態(tài)滲流方程可以延伸到穩(wěn)態(tài)滲流方程，如公式（2）所示。

（2）

式中：Kx為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發(fā)生滲流的系數(shù)x向分量；Ky為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發(fā)生滲流的系數(shù)y向分量；Hz為渠內(nèi)水流和渠道周邊地下水系形成滲流后在周邊土壤中發(fā)生滲流的系數(shù)z向分量。

采用公式（2）可以進(jìn)一步得到地下水滲流過(guò)程中的不穩(wěn)定滲流方程，如公式（3）所示。

（3）

從上述3個(gè)公式可以看出，在渠道襯砌建設(shè)過(guò)程中預(yù)防滲流發(fā)生，要明確滲流所發(fā)生的空間位置，包括x、y、z這3個(gè)方向上的坐標(biāo)。同時(shí)，滲流特征描述要重點(diǎn)關(guān)注滲流速度指標(biāo)，并需要對(duì)滲流發(fā)生時(shí)在空間的3個(gè)速度分量分別進(jìn)行計(jì)算。滲流模型中還涉及滲流發(fā)生的邊界，這可以限定滲流現(xiàn)象的區(qū)域范圍。滲流區(qū)域所在的土質(zhì)結(jié)構(gòu)所具有的滲流系數(shù)以及滲流過(guò)程中的水頭損失，也都會(huì)影響滲流的程度。由此可見，渠道襯砌的滲流過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)交互影響的復(fù)雜過(guò)程。因此，需要基于這些復(fù)雜參數(shù)的共同考量表達(dá)滲流過(guò)程。

在滲流發(fā)生的過(guò)程中，在渠道襯砌及其周圍的土壤中形成水流循環(huán)，會(huì)加速對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的沖刷和腐蝕，這種持續(xù)的作用會(huì)導(dǎo)致渠道襯砌被破壞。滲流不僅具有沖刷和腐蝕作用，還會(huì)改變渠道襯砌所在區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)微系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致渠道襯砌周邊土壤應(yīng)力狀態(tài)，從而使渠道襯砌受到更多的影響和危害。因此，掌握滲流的規(guī)律特征，形成有效抑制和防護(hù)，是穩(wěn)定渠道工作、延長(zhǎng)渠道襯砌使用壽命的關(guān)鍵，也是本文研究的重點(diǎn)。

3 灌區(qū)渠道襯砌施工的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試試驗(yàn)

按照本文的方法完成灌區(qū)的渠道襯砌施工，得到更加便利、高效的水利灌溉系統(tǒng)。為了驗(yàn)證本文渠道襯砌施工的有效性，根據(jù)滲流對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)。要選擇原有渠道襯砌10個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)量這些點(diǎn)位的X向滲流流量、Y向滲流流量、Z向滲流流量，并以10個(gè)點(diǎn)位的平均值為最終的測(cè)量結(jié)果。按照同樣的方法，完成渠道襯砌施工后，仍然在原有的點(diǎn)位進(jìn)行滲流測(cè)量，也檢測(cè)這些點(diǎn)位的X向滲流流量、Y向滲流流量、Z向滲流流量，并以10個(gè)點(diǎn)位的平均值為最終的測(cè)量結(jié)果，然后對(duì)比二者之間的差異。

根據(jù)渠道襯砌的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)施襯砌保護(hù)后，滲流流量在持續(xù)的測(cè)量中會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定。滲流形成流量?jī)?chǔ)備需要一定時(shí)間，滲流流量的變化曲線不會(huì)是連續(xù)光滑或者漸進(jìn)變化的形態(tài)，而是會(huì)呈現(xiàn)隨測(cè)量時(shí)間上下波動(dòng)、小幅度震蕩的形態(tài)。但是，滲流流量變化的總體趨勢(shì)是相對(duì)光滑的。通過(guò)測(cè)量襯砌施工前后的滲流流量數(shù)值，可以有效地觀察滲流流量是否減少。

渠道滲流流量是一個(gè)體積型概念，因此會(huì)在X、Y、Z這3個(gè)方向上都存在滲流流量的分量。要觀察滲流流量是否達(dá)到預(yù)期的減少目標(biāo)，就需要分別在X、Y、Z這3個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)襯砌施工前后進(jìn)行對(duì)比。

第一組試驗(yàn)：按照本文方法完成渠道襯砌施工后，通過(guò)試驗(yàn)觀察滲流流量在X向的減少量比例。襯砌施工前后滲流流量在X向的對(duì)比如圖2所示。

從圖2可以看出，新施工的渠道襯砌系統(tǒng)，滲流流量在X向大為減少，在水流持續(xù)流動(dòng)的過(guò)程中，X向滲流量最低減少81%，最高減少了92%。沿著觀測(cè)時(shí)間軸線來(lái)看，X向滲流流量減少程度的變化符合實(shí)際情況，不是持續(xù)光滑變動(dòng)，而是呈現(xiàn)上下波動(dòng)、小幅度震蕩的形態(tài)，且各個(gè)測(cè)量時(shí)間點(diǎn)之間的變化趨勢(shì)是無(wú)規(guī)律的。

圖2中的X向滲流對(duì)渠道襯砌造成的X向應(yīng)力云圖如圖3所示。

從圖2可以看出，滲流過(guò)程會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)加速渠道襯砌的底部和側(cè)壁老化。按照同樣的方法，進(jìn)一步觀察滲流流量在Y向的減少量比例，如圖4所示。

從圖4可以看出，新施工的渠道襯砌系統(tǒng)，滲流流量在Y向大為減少，在水流持續(xù)流動(dòng)的過(guò)程中，Y向滲流量最低減少80%，最高減少了92%。

按照同樣的方法，進(jìn)一步觀察滲流流量在Z向的減少量比例，如圖5所示。

從圖5可以看出，新施工的渠道襯砌系統(tǒng)，滲流流量在Z向大為減少，在水流持續(xù)流動(dòng)的過(guò)程中，Z向滲流量最低減少78%，最高減少了88%。

4 結(jié)論

灌區(qū)灌溉的水利系統(tǒng)一般由縱橫交錯(cuò)的渠道構(gòu)成，渠道襯砌是其中最為重要的構(gòu)成單元。在渠道襯砌的屏蔽作用下，引流水不會(huì)滲入土壤，從而高效地注入農(nóng)田完成灌溉。本文以梯形明渠襯砌為主要結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行施工，具體的施工流程包括基坑挖掘、回填夯實(shí)、削坡處理、混凝土配置、施工縫控制、伸縮量控制、混凝土振搗、襯砌養(yǎng)護(hù)。本文從襯砌滲流的角度出發(fā)，考察滲流對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響，并給出穩(wěn)定性分析的具體方法。通過(guò)3個(gè)方向上滲流流量來(lái)考察本文施工后的渠道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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