貢 力，靳春玲

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

西部干寒地區(qū)引水明渠病害特點及治理措施

貢 力，靳春玲

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

摘 要：以西部干寒地區(qū)運營引水明渠作為研究對象，考察明渠病害發(fā)生的狀況，總結病害的特點和類型，針對病害的實際情況分析造成病害的原因，提出了明渠翻襯、明渠改暗渠、綜合地基處理等病害處理的方案，為西部干寒地區(qū)引水明渠病害的治理工作提供了參考依據。

關鍵詞：西部干寒地區(qū)；引水明渠；病害特點；病害治理措施

0 引 言

引水工程是許多國家和地區(qū)用以緩和或解決缺水地區(qū)經濟發(fā)展的重要措施。我國是淡水資源缺乏國家，水量在地區(qū)上分布嚴重不均衡，降水量從東南沿海地區(qū)向西北內陸地區(qū)逐漸遞減，全國有約 45% 的土地面積屬于降水量小于 400 mm 的干旱或半干旱地區(qū)。特別是黃河、淮河、海河三大流域內耕地面積約占全國的 1/3，但是其徑流量占全國徑流量不足 5%，尤其以西北廣大地區(qū)最為嚴重，年平均降水量少于 250 mm，屬于嚴重缺水地區(qū)，缺水已經成為嚴重制約西北廣大地區(qū)國民經濟發(fā)展的重要因素。隨著人口的增加和經濟的發(fā)展，工農業(yè)和居民的用水需求日益增長。許多國家，例如美國、澳大利亞、巴基斯坦、印度等都采用跨流域調水的方法重新分配水資源，在緩和或解決缺水地區(qū)經濟發(fā)展方面進行實踐，取得了巨大的經濟和社會效益。比較知名的調水工程有：美國的中央河谷工程、科羅拉多河調水工程等，前蘇聯的伏爾加一莫斯科調水工程、巴基斯坦“西水東調”工程，印度恒河流域薩爾達薩哈亞克調水工程等。我國是淡水資源缺乏國家，特別是北方地區(qū)、西北地區(qū)和部分沿海城市嚴重缺水。我國在西部地區(qū)也投資建設了大量的引調水工程，然而由于西部黃土高原地區(qū)自然條件的限制，地形地質條件復雜，造成許多引水明渠病害頻發(fā)，給工程的設計、施工、運營都增加了相當大的難度。以甘肅引大入秦工程為例，研究引水明渠病害特點及防治措施。

1 工程概況

引大入秦工程是我國上世紀規(guī)模最大的跨雙流域調水自流灌溉工程，被稱為“中國的地下運河”。工程是把甘肅和青海省交界處的大通河水，跨流域引到蘭州市以北干旱缺水的秦王川盆地。在引大入秦水利工程建設中，中、外承包商共同奮戰(zhàn)，創(chuàng)造了很多奇跡。引大入秦工程作為國家重點建設成就，1995 年被載入第八屆全國人大三次會議政府工作報告。引大入秦工程總干渠從甘肅省天?？h天堂寺以下約 2 000 km 的科拉溝口 2 255.5 m 高程引水，進水閘底板高程 2 255.5 m，渠尾高程 2 189.22 m，全長 86.79 km。設計流量 32 m3/s，加大流量 36 m3/s，年引水量 4.43 億 m3，控制灌溉面積 86 萬畝。工程設計、建設周期較長，其間經多次修改，原工程設計參數均為 1986 年工程實施時的設計參數。工程運行 10 多年來沒有發(fā)生大的問題，工程總體評價其質量是優(yōu)質的，但總干渠、東一干渠、東二干渠合計長達 190 km，各類連接建筑物、閘室、橫向建筑物等較多，渠線穿越多種地層結構，地質條件復雜，運行多年后部分明渠渠基沉陷、凍脹、止水老化、襯砌脫落等各種病險問題相繼出現，已經不能滿足為蘭州新區(qū)安全供水的需求。

2 西部干寒地區(qū)引水明渠病害特點

由于西部地區(qū)氣候干燥、寒冷，加上引水明渠長期遭受陽光曝曬、冰凍、干裂和水力侵蝕等，總干渠明渠襯砌斷面分為矩形明渠、梯形明渠和梯弧形明渠三大類，重點考察了梯形明渠的病害問題。梯形明渠全部為混凝土預制塊襯砌或現澆混凝土襯砌的梯形和梯弧形渠道，渠間橫向建筑物較多，相應渠道斷面尺寸大小各段也不盡相同。

2.1 漿砌石渠段裂縫、破損情況

存在的主要問題為地基不同程度的沉陷、凍脹破壞，側墻斷裂、滑塌等，整體破損嚴重，底板和兩側渠坡多發(fā)育裂縫，部分渠段底板凹凸不平，破裂損壞較嚴重，甚至大范圍底板鋪設的漂、卵砌石墊層出露，渠道在渠底低洼處、轉彎處、流水回旋處有淤積。局部段渠坡鼓脹現象明顯，渠坡塌陷、砌石間勾縫混凝土及渠坡與底板結合部松動、脫落等各類病險較多(詳見圖 1～圖 4)。

圖 1 邊坡破損變形

圖 2 渠基及邊坡貫通裂縫

圖 3 渠岸岸坡裂縫

圖 4 渠底及邊坡凍脹破壞

2.2 混凝土預制塊渠段破壞情況

從目前的渠道運行情況調研結果來看，部分渠段的渠基凍脹問題嚴重，出現混凝土預制塊破壞，主要存在問題有預制塊隆起變形、開裂、邊坡滑塌等，局部嚴重渠段出現渠基土沉陷，詳見圖 5～圖 6。

圖 5 預制塊隆起開裂

圖 6 邊坡滑塌

2.3 渠道滲漏、淤積情況

對于渠底位于第三系砂質泥巖夾砂礫巖上的渠段，渠道高水位運行時存在滲漏問題，嚴重的滲水呈射流狀，滲水外流危及附近村民房屋安全，同時滲漏引發(fā)渠道凍脹破壞，造成預制板鼓起錯位、渠道變形滑塌、渠內泥沙淤積，詳見圖7～圖 8。

圖 7 滲漏造成渠道連接段破壞

圖 8 渠底淤積情況

3 引水明渠病害成因分析

通過對甘肅引大入秦工程明渠大修情況進行實地考察，總結西部地區(qū)引水明渠病害的主要成因如下。

3.1 渠道凍融破壞

西部大部分地區(qū)具有冬長暑短、雨熱同季、日照時間長、年降水少、蒸發(fā)量大和晝夜溫差大的高寒半干旱氣候特點。往往降水隨高程的增加而遞增，愈向上游冰凍期愈長，氣溫也低，降水量增大、蒸發(fā)量減小。比如天堂水文站實測降水和部分蒸發(fā)資料以及鄰近氣象站資料推得多年平均氣溫為 3.0℃，極端最高氣溫為 30.0℃，極端最低氣溫 -28.3℃，最大凍土深度 148 cm。惡劣的氣候條件致使管理部門在每年冰凍期及時停水，減少浮冰對渠道的侵蝕，但是由于部分渠段下游興建小型水電站，冬期不能停水或停水時間較短，從而造成了更為嚴重的凍融破壞。

3.2 地基不均勻沉降

由于引水工程線路長，各條明渠所經過的地區(qū)地形地貌差異很大，造成明渠的地質現象復雜。例如甘肅引大入秦工程，從渠首至秦王川盆地區(qū)域地貌可分為四個大區(qū)：侵蝕斷塊石質高中山區(qū)、侵蝕堆積與侵蝕構造黃土中低山區(qū)、侵蝕堆積構造河谷平原區(qū)和山前沖洪積盆地平原區(qū)。不良物理地質現象包括風化、坍塌、滑坡、風積流動砂丘和地表濕陷等。其中巖體風化以物理風化為主，由于地形差異、巖性、構造切割不同，其風化深度也有所不同。沿渠道全線沉降量差距較大，從而造成渠道裂縫、貫通裂縫甚至斷裂。

3.3 渠道滲漏

由于滲漏水不斷侵蝕渠基土，使部分渠段出現塌陷變形、預制板鼓起錯位等，同時滲漏又進一步加劇了渠道的凍脹破壞，凍脹破壞產生的裂縫反過來又增強了滲漏，使渠道運行陷入了惡性循環(huán)。

3.4 山體滑坡或洪水影響

由于西部地區(qū)地貌特點，在雨季容易形成山體滑坡及山洪災害，一旦山洪形成，大量泥沙涌入渠道，造成渠道破壞、淤積，嚴重的甚至形成邊坡滑塌裂縫。

3.5 濕陷性黃土

在黃土分布的地區(qū)，黃土在自重或一定荷載作用下受到水的浸濕后，迅速破壞而發(fā)生顯著下沉，以致其上部的建筑物受到破壞，這種具有濕陷性的黃土被稱為濕陷性黃土。西部地區(qū)部分引水明渠的基礎位于第四系全新統(tǒng)洪積黃土狀土或粉質壤土上，屬中等濕陷性黃土。渠道滲漏水導致基礎沉陷、底板凍脹破壞、局部鼓起開裂等。

4 引水明渠病害處理方案建議

針對西部地區(qū)引水明渠病害特點及病害成因分析結果，建議對已經出現的明渠病害采取以下措施進行處理。

4.1 梯形明渠翻襯

對于現狀渠身破損、滲漏、凍脹較為嚴重渠段，可將渠道原襯砌預制塊拆除后，增設土工膜防滲，渠道邊坡采用M10 水泥砂漿砌 C20 預制塊襯砌，預制塊厚 8 cm，預制塊底部設 20 mm 厚水泥砂漿墊層，渠道底弧段采用現澆 C20 混凝土澆筑。

4.2 梯形明渠改矩形暗渠

為了解決部分梯形明渠高邊坡深挖方的邊坡穩(wěn)定問題、穿越村莊垃圾入渠嚴重問題、渠基凍脹嚴重問題、渠基土沉陷問題、渠道破損問題、邊坡滑落土體入渠問題等安全隱患較大的渠段，可考慮修改為矩形暗渠。

4.3 綜合地基處理

對濕陷、沉陷變形黃土渠段進行加固改造或改建時，應采取綜合地基處理措施，即地基處理、防水措施和結構措施相結合。例如采用墊層法和強夯法處理濕陷性黃土地基時，選擇填料時不得使用有機土、鹽漬土、膨脹土、凍土等不良土料，最好選用渠底原有土層，并進行翻夯處理，加一定厚度的 10% 水泥土墊層，同時鋪設 0.3 m 厚非凍脹粗粒土墊層，且應加強防滲、防凍脹襯砌。

5 結 語

引水工程建設是我國西部地區(qū)用以緩和或解決經濟發(fā)展的重要措施，引水明渠是西部地區(qū)引水工程的一個典型建筑物類型，針對引水明渠病害問題的研究具有很高的應用價值。通過對西部地區(qū)運營引水明渠的維修施工情況進行實地考察，分析病害的類型及成因，提出了明渠維修處理的有效措施。

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中圖分類號：TV554

文獻標識碼：B

文章編號：1007-4104(2014)12-0066-04

基金項目：國家自然科學基金項目(51268030)；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1139)；甘肅省高等學?？蒲许椖?2013A-055)；甘肅省高等學校碩士生導師基金項目(1204-10)；甘肅省教育科學規(guī)劃課題(2012-GSGXG110)。

收稿日期：2014-04-21

作者簡介：貢力( 1977—)，男，博士，副教授，碩士生導師，從事隧道安全及水安全利用研究工作。

通信地址：蘭州交通大學 土木工程學院408#信箱 靳春玲(收)。