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渠道防滲工程技術就是為了防止或減少由渠道水量滲漏損失而采取的各種工程技術和方法,力求以最低的投入,盡可能多地將水源引水量、安全、快速輸送到田間,達到低投入、高效益的目的。

一、渠道防滲的必要性

我國是一個擁有13億人口的農業大國,而農業的高速發展離不開灌溉技術的不斷發展。目前,我國農業年用水量約為3860億m3,這些水絕大部分被用于農田灌溉,約占全國總用水量的70%,而有效利用率只有43%,遠低于歐洲和以色列70-80%水平[1],57%屬于無效損失。我國渠系水利用系數平均不到0.5,低于美國的0.78、日本的0.61、巴基斯坦的0.58[2]。據統計,全國渠系年輸水損失為1730億m3左右,占農業總用水量的45%,全國總用水量的33%[3]。目前,我國還有很大一部分渠道沒有采取防滲措施,仍然是土渠輸水,水因滲漏損失巨大[4]。研究表明,渠道防滲可使渠系水利用率提高20-40%,減少渠道滲漏損失50-90%[5,6]。由此可以看出,渠道防滲節水潛力巨大,同時可以大大降低灌溉成本。

渠道防滲是諸多農田灌溉節水措施中應用最為廣泛的主要節水措施之一。渠道防滲一方面可以減少渠道滲漏,提高水的利用率,節約的灌溉用水可用來擴大灌溉面積,促進農業生產的發展;另一方面渠道防滲可以調控地下水位,防止次生鹽漬化的發生,使鹽堿地和沼澤地得到改良,明顯改善生態環境;此外,渠道防滲還具有減少渠道管護費用、節約用地面積等多種效益。因此,進一步推動渠道防滲工程技術的發展和推廣應用,對我國農業的可持續發展以及生態環境建設與保護是十分必要的。

二、我國渠道防滲工程技術現狀

我國渠道防滲工程技術的發展,始終是以開發防滲材料為先導,同時研究、推廣相應的防滲渠道斷面形式及防滲層結構。很多單位還結合工程中遇到的各種特殊土基渠道,對相應的防滲技術進行實驗研究,探索出了很多實用的技術方法。為提高工程質量、加快施工進度,一系列實用性強的施工機械被研制出來并逐步得到推廣。在這些研究和應用的基礎上,初步形成了一系列成套的渠道防滲工程技術。

1、防滲渠道襯砌結構形式

各地結合工程具體條件采用的襯砌斷面形式有梯形(包括弧形底梯形、弧形坡角梯形)、復合型、、U形和矩形(詳見圖1)[4]。梯形斷面(圖1-a)、矩形斷面(圖1-f)的渠道雖然襯砌施工簡單,但水流條件不好,抗凍性能差。U形(圖1-d)、弧形底梯形(圖1-c)、弧形坡角梯形(圖1-e)斷面的渠道,具有防滲效果好、水流條件佳、挾沙能力強、占地面積小、結構穩定性好、抗凍脹變形能力強、投資較少、壽命較長等優點。U形適用于小型渠道,弧形底梯形適用于中型渠道,弧形坡角梯形則適用于地下水位埋深淺地區的大、中型渠道。近年來,國內外都趨于向復合結構襯砌形式發展(圖1-b),這種襯砌結構形式集合了上述幾種襯砌結構形式的優點,在生產實際當中得到了越來越廣泛的應用。當然,在施工過程當中,選取何種斷面形式還要根據輸水要求和當地實際情況來定。

2、渠道防滲材料的種類及其適用條件

防滲材料分為土料類、水泥土類、石料類、膜料類、混凝土類、瀝青混凝土類等,各種防滲材料的特點及適用條件如下所述。

(1)土料類

包括素土、黏砂混合土、三合土、四合土、灰土,主要原材料由素土、石灰、砂、石等構成。使用年限為5-25年。土料防滲是我國沿用已久的防滲措施,特別是在一些資金缺乏的中、小型渠道上應用較多。該材料可以就地取材,造價低,施工簡便,但是抗凍性、耐久性較差,需勞動力多,質量不易保證。隨著經濟的不斷發展以及各種防滲新材料的不斷問世,傳統的土料防滲措施正在逐年減少。適用于氣候溫和地區的中、小型渠道。

(2)水泥土類

包括干硬性水泥土、塑性水泥土,主要原材料由壤土、砂壤土、水泥等構成。使用年限為8-30年。優點主要有就地取材,造價較低,施工較容易,缺點是強度低、抗凍性較差,水泥土這一缺點已成為此種材料大面積推廣的障礙,只適用于氣候溫和無凍害地區且附近有壤土和砂壤土的渠道。

(3)石料類

包括漿砌料石、漿砌塊石、漿砌卵石、漿砌石板,主要原材料由料石、塊石、卵石、石板、水泥、石灰等構成。使用年限為25-40年。具有能就地取材、抗流速大、耐磨能力強、抗凍和防凍害能力強,并具有較好的防滲效果和較強的穩定性等優點,是我國采用最早、應用較廣泛的渠道防滲措施。缺點是不易機械化施工,施工質量難于控制,需勞動力多等,且造價不一定低。適用于石料來源豐富、有抗凍與抗沖要求的渠道。

(4)膜料類

指的是不透水的土工織物(即土工膜),包括土料保護層、剛性保護層。土工膜料的品種很多,常見的有聚乙烯、聚氯乙烯等。使用年限為20-30年。該材料具有防滲性能好(可減少滲漏損失達90-95%以上)[7,8]、適應變形能力強、質量輕、用量少、運輸量小、施工簡便、工期短、耐腐蝕性強、造價低等優點。但由于土工膜較薄,在施工和運行管理期易被刺破,使得其防滲性能大大降低。適用于中、小型低流速渠道。

(5)混凝土類

包括現場澆筑、預制鋪砌、噴射法施工,主要原材料由砂、石、水泥、速凝劑等構成。使用年限為30-50年。優點主要有防滲、抗沖性能好,糙率低,強度高,耐久性強,便于管理等。在我國已有40多年的應用歷史,是目前我國廣泛采用的一種渠道防滲技術措施,但也有適應變形的能力差,需較多的施工設備,施工較繁雜,特別是在缺乏砂石料的地區造價較高等缺點。適用于各類渠道。近年來,隨著混凝土渠道防滲技術的提高與發展,加之混凝土與防滲膜復合式防滲結構形式的快速發展,已成為目前我國渠道防滲技術采用最廣泛的材料之一。

(6)瀝青混凝土類

包括現場澆筑、預制鋪砌,主要原材料由砂、石、水泥、瀝青等構成。使用年限為20-30年。具有良好的不透水性,適應凍脹變形能力較好,耐久性等優點,缺點是造價高,料源少。適用于有凍害地區且附近有瀝青料源的渠道。國外在土石壩和渠道防滲工程中早有較多的應用。我國于1951年首次在甘肅省河西地區的武威黃羊河干渠進行了瀝青混凝土渠道防滲[9]。由于受料源不足、施工工藝要求嚴格等原因的影響,該材料應用發展比較緩慢。

(7)土壤固化劑

該材料能與各類土壤發生化學或生物作用,改變土的性質,如土的結構、親水性等,形成具有一定承載能力、抗滲能力和耐久性的固化土。使用年限與外部環境特別是土壤的理化性質密切相關。該材料用于渠道防滲工程上具有工程造價低、施工簡單方便、防滲效果較好等優點,但存在抗凍性不穩定、耐久性差等缺點。因此,提高固化后土壤的抗凍性和水穩性是今后的重要研究方向。適用于有一定抗凍要求的渠道。

(8)玻璃鋼

玻璃鋼強度高、重量輕、耐腐蝕和抗微生物性能好。玻璃鋼用于渠道防滲具有防滲性能好(每千米渠道輸水損失小于0.1%)、使用壽命長(可達20a)、過流條件好(與混凝土渠相比,過流能力提高50%)、造價低廉(比混凝土渠節省投資10-20%)、占地面積小(比混凝土渠減少占地30%)等優點[10]。適用于各種類型的渠道與土壤。

實踐證明,采用單一的防滲材料很難達到理想的防滲效果和耐久性,在不斷的經驗積累過程中,復合防滲形式逐漸被應用于生產實踐。例如,利用土工膜料或塑性水泥土等做防滲層,用混凝土等剛性材料或土料作保護層,為了防凍害還可以增加保溫層和排水層形成復合結構的防滲形式目前在國內許多灌區已有應用,其防滲效果明顯優于單一混凝土襯砌防滲。

3、施工機械與技術

在渠道防滲施工技術方面,國外發達國家以機械化施工為主,我國目前仍以人工施工、半機械化施工為主,與國外存在較大差距,但已逐漸向機械化施工方向發展。全國各地在生產實踐過程中設計出了很多簡單實用且成本低廉的施工機械,并對其相應的施工技術進行了研究,取得了大量的成果[8~11]。比如,U形渠道工程施工機械被大量推廣應用,就是與施工機械的研制和應用分不開的。這些施工機械的共同特點是簡易、輕便、價格低、適用。這些成果的應用大大降低了施工成本,適用性強,節約了勞動力,提高了施工速度。

三、存在問題和對策

我們國家和很多地區在渠道防滲工程方面投入了巨大的財力和人力,科研方面的投入也逐漸增加,但渠道防滲工程技術的發展尚顯緩慢,仍趕不上生產發展的需求,一些深層次的技術、材料等問題有待解決。特別是工程環境條件特殊區域的成套防滲技術,包括防滲效果好、經久耐用、成本低的新型材料的應用技術,高精度的防滲防凍脹設計技術,造價低廉的特殊土渠道防滲技術等。此外,渠道防滲工程施工機械品種少、性能單一,很多渠道還是人工或半機械化施工,機械化程度低,施工質量不易達到工程要求,致使某些工程耐久性較差,易于老化,損壞和的返修率較高。因此,要進一步減少渠道滲漏量,提高防滲技術水平,促進渠道防滲工程的發展,這些問題必須重點加以研究解決。

鑒于以上問題,發展和推廣防滲工程技術的對策有:

1、加強宣傳和技術培訓,使廣大人民群眾認識到節水防滲的重要性。同時,建立健全工程設計的審查、評議以及工程施工的監理、監測等相關制度。

2、進一步加大科研投入,加強跨學科、跨行業的合作,在工程新材料、設計新方法、施工技術和施工機械、工程維修技術等方面深化研究,進一步提高渠道防滲工程建設與管護技術水平。

3、倡導廢料和當地材料的合理利用,以降低工程造價、改善區域生態環境。

4、結合生產實際,選擇代表性強的地區,建立綜合性的高新技術示范工程,以促進渠道防滲工程技術的推廣與應用。

綜上所述,隨著人口的不斷增加和人類生活水平的不斷提高,人們對水資源以及農產品的需求也不斷增長,因此,渠道防滲工程技術對于提高水利用效率、增加農產品輸出量方面發揮著重要作用。如何通過新材料的研發、新技術與新方法的應用、管理手段的科學合理化等方面來提高防滲效果、降低投資成本,相關學科與行業有關人員任重而道遠。