框架式预制构件衬护技术在景电灌区排水治碱工程中的应用

梁彦信

(甘肃省景泰县水务局，甘肃 景泰 730400)



框架式预制构件衬护技术在景电灌区排水治碱工程中的应用

梁彦信

(甘肃省景泰县水务局，甘肃 景泰 730400)

框架式空心预制构件衬护排水渠技术，对排水渠衬护作了有益的探索实践，弥补了传统排水沟边坡衬护方法上的缺陷，初步解决了多年来在盐碱地治理排水工程中边坡坍塌的问题，对丰富排水治碱技术积累了有益的经验。在排水治碱工程和地下水富积的灌溉工程中具有实用推广价值。

排水渠；框架式衬护；技术改进；推广效益

景电灌区位于甘肃省中部，地处黄土高原与腾格里沙漠过渡地带，是我国黄河中上游重要的高扬程灌溉农业区。因灌溉回归水汇集致使灌区地下水位持续抬升，重度盐碱化土地以每年约6 000亩的速度不断蔓延扩大，且蔓延的速率有逐年加快的趋势。截止2014年全县受盐碱化影响耕地面积达27万亩，占总水浇地面积的42.19%，其中：轻度盐碱地面积4.2万亩、占15.56%；中度7万亩、占25.93%；重度9.5万亩、占35.19%；因盐碱化而被迫弃耕撂荒3年以上的6.3万亩、占23.33%。盐碱耕地中、重度和弃耕撂荒地面积占比最大达84.44%，且全部为次生盐渍化土地[1]。

改良盐碱地的目的，是要排除土壤中过多的盐分，使低产田变为高产田。土壤积盐和脱盐决定于土体中水分的运行，它主要受地下水埋深和土壤蒸发的影响，所以，防治土壤盐碱化，必须要控制地下水位上升。控制地下水位可通过工程排水措施来实现，排水措施可有效地改变改善区域性的地下径流和水文地质条件，有利于土壤脱盐的防止土壤返盐，满足作物对土壤水分，空气、养分、热量的要求，达到改土增产的目的。

对于景电灌区和五佛自流灌区，由于特殊的地质地形条件，地势平缓，出流弱，缺乏天然排水通道，土壤中含有不同程度的盐分，且因大水漫灌，地下水补给量增加，引起水位上升，这是导致这些地区成为盐碱和易碱地区的根本原因，所以建设排水工程成为治理盐碱地的首要条件。

在上述两个灌区，排水工程的其本形式主要有明沟排水和暗管排水。明沟排水即从地面开挖排水沟排水。这种方法的优点是工程投资少，设计、施工简便易行，适应于现实经济条件下的工程建设；缺点是因工程多处在粉砂壤土地区，沟坡容易坍塌，淤积严重，管理困难，不仅降低了排水效果，而且因排水不畅加重了土壤盐渍化程度，浪费了大量人力物力。排水沟边坡坍塌淤积，轻者降低排水沟的作用，重者导致地下水位上升至临界深度，产生新的盐渍化。为此，如何有效的衬护排水渠边坡是治理盐碱地的一个重要方面。

框架式预制构件衬护排水渠，较之以往已采用的多种护坡方法，该项技术最显著的优点是把灌溉渠道衬砌技术与土坝护坡技术进行有机结合，并嫁接于排水沟衬护，使空心预制构件形成框架式结构，在框架空心内充填干砌块石后，形成有效滤水层，能防止因土质排水渠冬冻春融而造成的冻胀破坏和地下水逸蚀问题，从而避免了边坡坍塌，保证了边坡稳定，且排水效果显著。

1 影响排水渠边坡坍塌的因素

1.1 排水渠边坡稳定问题的评价

在水利水电工程建设中，常会遇到边坡失稳的问题，边坡稳定与否，直接关系到建筑物的安全和经济效益的发挥。若边坡设计过陡，在应力状态发生变化时，边坡体会发生变形和破坏，严重的造成停工，运转中断等；若边坡设计过缓，对边坡保护采取过分保守的工程措施，则投资过大造成浪费[2]。因此，正确评价边坡的稳定性，是排水渠建设中的一项重要内容。

边坡变形破坏可分为剥落，崩塌和滑坡三种类型，本文着重考虑滑坡。滑坡的产生严重影响水工建筑物的正常使用与安全，甚至造成破环，常会造成人民生命财产的巨大损失[3]。由此可见，为了有效地防止滑坡，除了在工程设计时仔细地进行稳定分析，得出一个合理断面处，还应采取相应的工程措施，消除某些不利因素的影响，确保工程安全。

1.2 排水渠边坡坍塌的原因

景电灌区在历年来的治理盐碱排水工程中，主要以明沟排水为主，但由于次生盐渍地多处在粉砂壤土地区，地下水位高而排水边坡未能采取相应工程措施进行衬护，致使排水沟滑落 坍塌，淤积严重，降低了排水效果，究其坡坍塌原因，主要有以下几个方面：

1)地面水冲刷

一般在修建排水渠时，对地面水的入沟建筑物没有安排，雨水及灌溉水向排水渠漫流，形成严重的冲刷，沟边坡出现冲沟，致使沟底淤积；

2)地下水逸蚀

地下水位过高，地下水自排水沟腰部逸出，地下水位以下的土壤处于饱和状态，粘接力大为降低，加之部分地段极有夹层，开挖后形成流砂现象，因而极易滑落下塌，地下水位以上部分因失去支撑而自然坍塌。地下水位愈高，逸蚀作用愈强，在粉砂壤土地区尤为严重。特别是在冬灌时，排水沟边坡夜冻昼消，循环复始，至来年春融时坍塌更为严重，这是边坡坍塌的主要原因；

3)沟内积水侵蚀

利用排水沟引水，沟中打坝蓄水，沟中修灌溉土渡槽，打埂筑路等都会造成排水沟积水，由于积水浸润，边坡极易塌陷，特别是水位变化时，水面附近和水面以下土体最易坍塌。

2 框架式空心预制构件衬护技术设计

2.1 衬护排水渠的技术原理

在水利水电工程中，土坝一般设有排水设施(排水体)其目的是调整土坝体内浸润线的位置，有计划的改善边坡渗流运动状态，排除渗水，以及防止发生渗透变形(即坍滑现象)[4]。框架式衬护技术采用土坝混合式排水和水闸底板排水孔设计以及挡水墙设计原理的变化形成，结合了灌溉渠道衬护技术，既能防止渗流逸出表面发生流土，又可降低浸润线的位置，还使扬压力减小、边坡稳定。

2.2 框架式衬护排水渠的设计

通过对排水渠边坡坍塌的原因，影响因素类型等方面的分析，吸收土坝护坡排水和水闸底板排水的有益经验，运用力学和水力学知识，结合工程实践，探索出了框架式空心预制构件衬护技术，该项目的技术设计有以下几个方面：

1)框架设计

框架设计基本形式为中空式等腰三角形，预制件混凝土标号C20，弹形模量2 .602 105 kg/cm2。三角形框架内填砌块石，既可增强排水渠边坡整体性，也能充当排水设施，并有效地防止渗流对边坡的变形破坏。块石尺寸以5～10 cm为宜，所用块石应坚固不易风化，抗压强度不低于300～500 kg/cm2，砌石下的垫层，应按反滤层的原则设计。

2)底梁设计

底梁设计为框架式衬护排水渠技术设计的中心环节，在原设计中曾采用矩形底梁，在五佛二十五份子排水工程施工过程中，此式底梁极易沉陷，且引起边坡三角构件失衡，使排水渠纵坡和边坡均达不到设计要求，排水效果也不甚理想。在保证设计排水量的前提下，受灌溉渠道断面设计的启发，经多次试验设计了U型槽底梁和梯形槽底梁。

经实地衬护的对比试验，U型槽底梁设计，具有水流条件好，整体受力性能强的特点，但存在模具加工制作复杂，预制难度大，对混凝土配合比粒经选择要求高，不能减小扬压力，施工过程中不易固定等缺点，且边坡设计难以满足要求。

梯形槽梁设计虽水流条件和整体受力性较U型底梁稍逊，但模具加工简单，预制难度小，对混凝土配合比粒径选择要求低，在施工过程中容易固定，具体运行中能够通过设在边坡和底部的孔径排泄地下水，可有效地减小扬压力对排水渠的破坏。通过以上技术经济方案的对比，以采用梯形梁设计为佳。底梁混凝土设计标号，强度与框架设计相同，

3)反滤层设计

设计反滤层是在渗水出逸部位铺设，其作用是防止渗透土体的细颗粒被渗水带走，且又能使渗水畅通排出。

反滤层一般由三层不同粒径的非粘性的砂、砾、卵石碎石构成。铺设的层面大体与渗流方向正交，在渗水进入处铺设细粒径滤层料，之后逐步铺设较粗粒径的滤层[5]。

一般砾砂层粒径0.25～1 mm砂；砾层粒径1～5 mm；

卵石层粒径5～20 mm；石层板径5～10cm块

4)模具加工及框架、底梁预制

框架底梁因属排水设施，要具备防冻，防蚀性能，对混凝土预制件密实度以及防浸蚀要求高，故此，模具的加工制作和混凝土预制工具好坏是能否保证预制件质量的关键所在，在条件许可情况下，宜尽量采用专业预制，工厂化生产。模具加工选择50×50mm的角钢为支架，5 mm钢板为内模焊接而成，混凝土设计标号为C20，卵石最大粒径4 cm，砂子0.5 mm，卵石和石子经筛分冲洗后与水泥一起用混凝土搅拌机拌和，预制场地铺一层细砂，预制时，首先用插入式振捣器，待出浆后再用平板式振捣器振动，直到密实为止，待初凝后脱模并及时编写生产日期，二十四小时后即可盖草洒水养护，在夏季高温时，需每小时养护一次，达到28 d龄期后，经检验合格，运到施工工地。

3 框架式预制构件衬护排水渠设计与

同类技术的对比分析

3.1 同类技术

目前，在防止排水渠边坡坍塌和于积的技术很多，较为先进和成熟的有以下几种：

1)放缓边坡，加大底宽

该项技术虽可暂缓边坡坍塌，但在实际运用中却未能解决使浸润线下移的问题，故而耐久性差，甚至在粉砂壤土地区，排水渠当年开挖，来年即告坍塌淤积，而且由于边坡过缓使工程量加大，占用了大量的耕地。

2)修建排除地面水的建筑物

该项技术从本质上而言，属排水沟边坡的防地面水冲刷措施，并未真正解决地下水位过高而引起的边坡坍塌，而且由于在边坡以上堆积大量土体，加重了边坡受力，引起新的坍塌和淤积。

3)沟边坡植树种草

该项技术是利用植物根系对边坡起到防护作用，但红柳等植物根系分布呈水平状，垂直根系不发达，护坡效能不显著；而草木樨等植物，秋冬季干枯后，随风飘落至排水渠中，造成新的淤积，在一定程度上降低了排水效果。

4)粘土护坡

由颗粒间具有凝聚力的粘性土组成的护坡，能较好地保证其出逸段的稳定性，但其护坡属于被动护坡，只是保护边坡不渗流，地下水位却未能降低，而且使渗流方向错位，边坡在饱和水作用下产生底部滑动，形成滑坡。

5)干砌石护坡

该项技术在一定程度上避免了以上几种护坡方法上的不足，但由于未设反滤层，坡面渗流带动土壤颗粒直接进入排水沟，久而久之排水沟淤积严重，渗流使干砌石背面土体淘空形成新的边坡失稳条件，而且因该技术为重力式挡土墙设计，工程量较大，投资较多。

3.2 框架式衬护技术

框架式空心预制构件衬护技术，针对以往国内传统护坡技术存在的不足与缺陷，以土壤渗流和边坡稳定理论为依据，将土坝护坡排水技术和水闸底板排水技术有机结合，并成功嫁接于排水沟护坡工程，是排水渠护坡技术上的一个有益探索。

通过对比实验，证明该项技术具有以下优点：

1)充分稳定边坡，有效防止冻胀

较之以往采用的多种护坡技术，该项技术最显著的特点是空心预制构件形成框架结构，内填干砌石块石，结合下部的反滤层，底梁在渠底形成支撑棱体。这样既可有效避免边坡坍塌，又能防止土质排水沟因渗流而引起冬冻春融的膨胀破坏和地下水逸蚀问题，另外在施工土模开挖后，底梁可起到固岸作用，从而保证了边坡稳定，排水通畅。

2)排水效果显著

从景电一期和五佛二十五份子衬护排水渠前后的对比来看，土质排水沟在地下水位高的地区，开挖来年即发生坍塌淤积，使排水效果大为降低。采用框架式空心预制构件衬护的排水渠却极少出现此类现象，且排水量增大。据观测衬护后的排水沟两侧地下水位普遍下降1～1.6 m，五佛二十五份子排水渠当年衬护，当年种植、当年见效，种植的水稻亩产500 kg左右，原来因地下水位上升而形成的沼泽地当年即呈干燥状态，来年经冲洗脱盐后即可大面积恢复种植，改良次生盐渍地效果显著。

3)工程量小、投资省

经测算，采用框架式空心预制构件衬护排水渠较之明沟开挖排水渠，土方工程量减少50%左右，投资较浆砌石框架式衬护，亩投资节省46%。

从以上技术经济对比可看出，框架式空心预制构件衬护排水渠具有技术实用可靠、有效防止冻胀、充分稳定边坡、排水效果显著、工程投资节省、适应范围广泛等优点。

4 有待改进方面

虽然该项技术的试验相对成熟，具备推广应用的价值，但是仍有个别技术细节尚有待于进一步研究探讨。诸如在矿化度高的景电一期地下水富集区混凝土预制件使用抗酸碱水泥并加配钢筋，以防止因地下水侵蚀而使其耐久性降低；在挖深较大、地下水位埋深较浅的地区排水沟衬护时，框架层高如何根据浸润线位置确定，框架之间是否需要构造连接以增加稳定性；如何确定排水渠堤顶宽度以减轻田间灌溉水对排水渠的破坏；如何根据土壤质地情况确定反滤层的厚度及粒径等。这些问题需要在以后的工程实践中不断总结经验，认真研究并加以改进解决，使此项技术能够具有较为广泛的适用性，以期更好地为排水治碱工程服务。

5 结语

框架式空心预制构件衬护排水渠技术的应用，对丰富排水治碱技术初步探索和积累了有益的经验，其技术实用性在实际工程运用中也取得了较好地效益。需要指出的是，在规模化应用过程中，需要结合排水工程所在地的地形条件、气象因素、地质与水文地质条件、社会经济条件等考虑使用综合治理措施，切岂生搬硬套、千篇一律，否则，只能起到事倍功半的作用。

[1]景泰县农技中心.景泰县盐碱地情况的调查报告[R].2011.7.

[2]郭元裕.农田水利学.武汉水利电力学院.水利电力出版社[M].1986.12.

[3]黄河水利学校.工程地质与土力学上册，水利电力出版社[M].1980.11.

[4]湖南省水利学校.水工建筑物.水利电力出版社[M].1985.5.

[5]M.M.格里申.水利水电科学研究院译.水工建筑物上卷.水利电力出版社[M]1985.5.

TV52

B

1004-1184(2016)06-0121-03

2016-06-06

梁彦信(1965-)，男，甘肃兰州人，高级工程师，主要从事次生盐渍地治理、节水灌溉研究。