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土工膜防渗新材料在渠道节能 改造中的应用研究

    

从灌区渠道的布置方式来看,在我国农业、工业以及城市供用水等渠道工程中,由于受当时快三彩票技术水平和综合投资资金等因素的制约,普遍采用明渠进行水资源输送分配。据统计文献资料,我国灌区渠道总长已达到300 x10 km,绝大部分渠道渠系水利用系数非常低,其中渠系水利用系数在0.42~0.48范围内的渠道约占全国渠道总长的80% ,也就是说,我国渠道在水资源输送分配过程中其所造成的损失量十分巨大。渠道防渗衬砌加固可以不仅减少渠道内部水资源的渗漏损失量,提高渠道渠系水利用系数和输水能力,同时还可以对渠道起到加固作用,提高渠道防冲、减淤、防坍塌等性能,保证灌区渠道整体输配水安全和提高灌区现代化水资源高效利用的功能。
目前,我国渠道防渗衬砌材料主要分为刚性、柔性以及刚柔复合三大类。渠道防渗加固刚性衬砌材料主要采用现浇或预制混凝土板、浆砌石等刚性材料进行防渗处理;柔性材料主要利用塑料薄膜、复合土工膜以及沥青油毡等防渗材料。从大量文献资料和工程实践可知,刚性防渗材料对非寒区渠道进行防渗加固非常有效,所取得的经济效益也非常好,但由于刚性材料自身物理因素决定其防冻胀性能较差,冻胀破坏危害较大,因此其很难满足寒区灌区渠道的防渗修复加固、防冲、防冻胀破坏等性能需求 。
   

复合土工膜是一种典型的柔性材料,可以有效解决寒区灌区渠道安全输水时过水能力较低等问题,利用土工织物或其它防渗材料与土工膜相互结合起来形成一种不透水的防渗材料,并根据渠道防渗加固需求,通过加筋等技术措施,将灌区渠道加固工程中刚性和柔性防渗材料各自优点结合起来,使其具备防渗和防冻胀破坏等功能。因此,在寒区灌区渠道防渗加固工程中,对土工膜加固方案设计和施工技术要点进行分析研究,验证其防渗抗冻胀能力能否达到相关技术标准要求非常具有工程实践意义。
   

某灌区属于水库引水自流明渠灌溉灌区,其设计控灌面积为45 000 hm ,而从多年实际运营资料发现其实际灌溉面积211 000 hm ,其渠系水利用系数只有0.468。灌区渠道运营现状见表1。
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从表l可知,灌区渠道按照输水和配水分为总干渠(46.10 km)、分干渠(84.92 km)、以及支渠(79.81 km)三级渠道,其总长为210.83 km。由于渠道在日常运行过程中缺乏有效的检修维护制度,在多年的运营过程中,造成渠道及相应水工建筑物遭受到严重破坏,其中干渠、分干渠以及支渠的破坏率分别为14.98% 、16.3% 、37.79% ,闸门损毁率高达75.2% ,灌区中85% 以上的机电设备已丢失或失修,相应观测和自动化控制装置严重缺乏。灌区渠道老损破坏引起整个灌溉面积大大减少,引起日常灌溉田块抢水、不服从管理、乱开挖引水等,不仅影响到灌区渠道灌溉水综合调度管理水平,同时还破坏渠道应有的灌溉性能,恶化了灌区水的运行环境和渠道沿线农作物的生长环境。
3 灌区渠道防渗加固修复方案比选灌区渠道防渗加固修复方案,一般可以采取拆除重建、在原渠道衬砌板上直接用混凝土套衬以及直接在渠
道原衬砌板上明敷防渗土工膜3种技术方法 J。由于灌区处于寒冷地区,受灌区运行环境、周嗣混凝土加工原材料以及施丁条件等因素制约,不利于采用混凝土套衬防渗加固方案。而采取拆除重建方案,其与灌区输配水运行、综合投资以及施T季节和用水季节冲突等因素的矛
盾,方案的可行性和经济性较低。从大量工程实际经验来看,在进行灌区渠道防渗加固工程中,对于干渠、分干渠、支渠以及支渠以下渠道变形和破损较少,可使用和可维护率较高的渠道而言,通常采用直接在原混凝土衬砌板上明敷土工膜的防渗加固修复方案 J。从方案经济性
比较分析可知,采用直接明敷土工膜的防渗加固方案的综合单位为拆除重建的35% 一45% ,是采用混凝土套衬修复方案的55% ~65% 。同时,明敷土工膜的防渗加固方案在很多灌区渠道节能节水改造中已取得较好的应用效果,因此土工膜防渗加固修复方案不仅技术上可行,而且在经济上相比另外两种方案具有较大的价格优势。
   

从图1可知,渠道土工膜防渗加固修复设计方案中主要包括防渗和土工膜锚固两个子系统。4.1 防渗系统结合灌区渠道防渗具体要求,设计出从上到下包含防渗层、过渡层、以及支持层三层的完善防渗体系。其中防渗层选用高密度聚乙烯膜HDPE土工膜,利用其优良的耐环境应力开裂、抗寒冷低温、抗老化以及耐腐蚀性能,加上其具有的较宽的使用温度范围(一60。~+60。)和较长的综合使用寿命(5O a),可以有效提高渠道防渗性能。过渡层选用复合土工布(直接埋设敷设防渗),作为HDPE土工膜的保护层,具备法向导水功能,以搜集土工膜下渠坡渗漏水,并将防渗层的HDPE土工膜与渠道混凝土衬砌板有效隔离,避免防渗土工膜遭受原有混凝土衬砌板上尖锐物的摩擦刺破,使渠道防渗加固修复过程中的HDPE土工膜防渗层不受损坏;支持层选用渠道原有混凝土衬砌板,其平均强度可以达到12 kPa,能够支撑土工膜、承受渠道水压力,并能确保渠道节能经济高效稳定运行,这样可以减少渠道修复工程中的综合投资成本,提高防渗加固修复工程的综合经济效益。
4.1 防渗系统
结合灌区渠道防渗具体要求,设计出从上到下包含防渗层、过渡层、以及支持层三层的完善防渗体系。其中防渗层选用高密度聚乙烯膜HDPE土工膜,利用其优良的耐环境应力开裂、抗寒冷低温、抗老化以及耐腐蚀性能,加上其具有的较宽的使用温度范围(一60。~+60。)和较长的综合使用寿命(5O a),可以有效提高渠道防渗性能。
过渡层选用复合土工布(直接埋设敷设防渗),作为HDPE土工膜的保护层,具备法向导水功能,以搜集土工膜下渠坡渗漏水,并将防渗层的HDPE土工膜与渠道混凝土衬砌板有效隔离,避免防渗土工膜遭受原有混凝土衬砌板上尖锐物的摩擦刺破,使渠道防渗加固修复过程中的HDPE土工膜防渗层不受损坏;支持层选用渠道原有混凝土衬砌板,其平均强度可以达到12 kPa,能够支撑土工膜、承受渠道水压力,并能确保渠道节能经济高效稳定运行,这样可以减少渠道修复工程中的综合投资成本,提高防渗加固修复工程的综合经济效益。
4.2 土工膜锚固系统
图1中表明,本次所采取的防渗加固设计方案中,分别在渠顶和渠道内布设锚固件来固定防渗土工膜,以避免渠道在进行输配水运行中土工膜发生位移。渠顶设置土锚固沟,渠道内则设置钢筋混凝土锚固梁来对防渗土_[膜进行锚固处理。为了防止防渗土工膜在渠道上发生移动,以及防止渠顶发生渗水进入到土工膜下,渠道防渗渗土工膜锚入到锚固沟内,深度为1.3~1.5 m。当渠道内有节制闸、桥、涵等水工建筑物,拦断土工膜沿渠道铺设或土工膜铺设直线段较长时,应在水工建筑物上下游和较长直线段的中间部位处设置土工膜端部锚固梁,端部
锚固梁的布设间距最长不得超过500 111,同时宜按照间距均匀进行布设;端部锚固梁中间应设在中间锚固横梁,其间距宜按100 m进行布设;渠道分水口宜采用分水口密封锚固来对分水口进行密封,防止渠道中的水由分水口进入到防渗土工膜下,降低土工膜的运行环境。为了提高防渗土工膜综合运行性能,在土工膜防渗层下设置对应的膜下水收集和排除系统 。膜下水收集排除系统应根据现场地形进行设置外,当渠道附近有排水沟且排水沟枯水位低于渠道底部高程时,宜设置横向排水管直接将模型渗漏水排出;否则就需要在渠道锚固梁上设置对应
的渠坡式逆止式排水阀将膜下的渗漏水间接排除。
5 节能改造修复效益分析
为了验证土工膜在灌区渠道防渗节能修复改造工程中的应用效果,分别在该灌区渠道B3B支渠中段和B3C支渠渠首按照图l所示的防渗节能修复加固方案进行改造,分别敷设650、2 000 m的试验段。
在经过1 a的旱季灌溉实际数据比对观测,得到两试验段渠道修复前后的比对数据,见表2。
   


从表2可知,试验段渠道在采用土工膜防渗节能修复加固改造后,渠道数据参数基本接近明渠设计水深要求。从上述分析可知,试验段渠道每公里流量大约损失率由改造前的1.200% 降低到0.058% ,防渗效果十分明显;渠道在敷设防渗土工膜后,其在设计流量下的渠道流速大约比未敷前流速增大50% ,渠道在运行过程中挟沙能力得到进一步加大,渠道淤积量也大大减少,由未敷设前的0.15~0.35 m降到小于0.08 m。
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