渠道管理渠道防渗工程技术.docx
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渠道管理渠道防渗工程技术
渠道防渗工程技术
3.1渠道防渗类型和特性
3.1.1渠道防渗意义和作用
（一）渠道防渗意义
发展节水型农业行之有效的节水技术有渠道防渗、低压管道输水、改进地面灌溉技术、发展喷灌与微灌、实行节水灌溉制度等。
这些节水技术无疑均是重要的和必需的，但节水效益最大的技术则是渠道防渗。
这是因为我国每年灌溉用水量约为3500亿m3，占农业用水量的90％，占我国总用水量的63％。
目前我国已建渠道防渗工程为55万多Km，仅占渠道总长的18％，80％以上的渠道没有防渗，渠系水的利用系数很低，平均不到0.50，低于其他国家（美国为0.78，前苏联为0.6~0.7，日本为0.61，巴基斯坦为0.58等）。
也就是说，从水源到田间，有50％以上的灌溉水因渠道渗漏而损失掉了。
由于渠道渗漏浪费的水量很大，我国粮食作物的水分生产效率仅为1kg左右，而以色列高达2.32kg。
如果我国灌溉渠系水的有效利用系数提高0.10，则每年可节约水量350亿m3左右，等于正在规划的南水北调中线工程年引水量的2.7倍左右，这对缓解我国水资源供需矛盾将起到很大作用。
因此，必须首先做好渠道防渗工程，堵住这个浪费水的大洞，提高渠系水的利用率。
渠道的渗漏水量不仅降低了渠系水的利用系数，减少了灌溉面积，浪费了水资源，而且会引起地下水位上升，招致农田渍害，在有盐碱化威胁的地区，还会引起土壤的次生盐碱化，同时还会增加灌溉技术和农民的水费负担，甚至会危及工程的安全运行。
为了减少渠道输水损失，提高渠系水利用系数，一方面要加强渠系工程配套和维修养护，有计划地引水和配水，不断提高灌区管理工作水平；另一方面要采取渠道防渗工程措施，减少渗漏损失水量。
（二）渠道防渗的作用
渠道防渗工程措施除了减少渠道渗漏损失、节省灌溉用水量、更有效地利用水资源外，还有以下作用：
1．提高渠床的抗冲能力，防止渠坡坍塌，增强渠床的稳定性。
2．减小渠床糙率系数，加大渠道内水流流速，提高渠道输水能力。
3．减少渠道渗漏对地下水的补给，有利于控制地下水位和防治土壤盐碱化及沼泽化。
4．防止渠道长草，减少泥沙淤积，节省工程维修费用。
5．降低灌溉成本，提高灌溉效益。
3.1.2渠道防渗材料及结构形式
（一）渠道防渗工程应符合的要求
1．防渗渠道断面应通过水力计算确定，地下水位较高和有防冻要求时，可采用宽浅：
断面。
2．地下水位高于渠底时，应设置排水设施。
3．防渗材料及配合比应通过试验选定。
4．采用刚性材料防渗时，应设置伸缩缝。
5．标准冻深大于10cm的地区，应考虑采用防治冻胀的技术措施。
6．渠道防渗率，大型灌区不应低于40％；中型灌区不应低于50％；小型灌区不应低于70％；井灌区如采用固定渠道输水，应全部防渗。
7．大、中型灌区宜优先对骨干渠道进行防渗。
（二）渠道防渗材料简介
根据所使用的材料，渠道防渗可分为：
①土料防渗；②水泥土防渗；③砌石防渗I④塑料薄膜防渗（内衬薄膜后再用土料、混凝土或石料护面）⑤沥青混凝土防渗；⑥混凝土防渗等。
其中混凝土衬砌是当今渠道衬砌的主要形式。
各类材料防渗效果和适用条件见表3-1。
表3-1 常见渠道防渗形式的主要特性
项目
防渗材料
主要原材料
允许最大
渗漏量
（m3/m2.d）
使用年限
适用条件
土料
粘性土
粘砂混合土
粘质土、砂、石、石灰等
0.07～0.17
5～15
能就地取材。
造价低，施工简便，但抗冻性差，耐久性较差，需劳力多，质量不易保证适用于气候和地区的中、小型渠道
灰土
三合土
四合土
10～25
水泥土
干硬性水泥土
塑性水泥土
壤土、砂壤土、水泥等
0.06～0.17
8～30
能就地取材，造价较低，施工容易，但抗冻性较差。
适用于温地区，且附近有壤土和砂壤土的渠道
石料
干砌卵石
（挂淤）
卵石、块石、料石、石板、水泥等
.20～0.4
25～40
抗冻和抗冲性能好，施工简易，耐久性强，但防渗能力一般较难保证，需劳力多。
适用于石料来源丰富、有抗冻与抗冲要求的渠道
浆砌块石
浆砌卵石
浆砌料石
浆砌石板
0.09～0.25
沥青混凝土
现场浇筑预制辅砌
沥青、砂、石、矿粉等
0.04～0.14
25～30
防渗能力强，适应冻胀变形能力较好，造价与混凝土相近，但目前沥青料源缺乏。
一般适用于有冻害的地区，且附近有沥青料源渠道
埋辅式膜料
土料保护层
刚性保护层
膜料、土料、砂、石、水泥等
0.04～0.08
20～30
防渗能力强，质轻、运输便利，用土作保护层时，造价较低，但自地多，允许流速小。
适用于中、型低流速渠道。
当用刚性保护层时，造价较高，可用于大、中型渠道
混凝土
现场浇筑
砂、石、水泥、速凝剂等
0.04～0.14
30～50
防渗效果、抗冲性和耐久性好，可用于各类地区的各种运用条件下的各级渠道；喷射法施工宜用于岩基、风化岩基以及山区渠道
预制辅砌
0.06～0.17
20～30
喷射法施工
0.05～0.16
25～35
目前，我国渠道防渗中存在的主要问题是衬砌技术成本较高，影响大面积推对于西北地区特殊的湿陷性黄土、盐胀土和膨胀土层，渠道衬砌需解决大变形。
（三）渠道防渗层的结构及厚度
1．土料防渗。
土料防渗层的厚度应根据防渗要求通过试验确定。
中、小型渠道可参照表3-1选用。
为增加防渗层的表面强度，根据渠道流量大小，表层采用水泥砂浆抹面和涂刷硫酸亚铁溶液的办法。
2．水泥土防渗。
水泥土防渗层的配合比应通过试验确定。
防渗层的厚度宜采用8～10cm，小型渠道不应小于5cm。
水泥土预制板的尺寸，应根据制板机、压实功能、运输条件和渠道断面尺寸等功能确定，每块预制板的重量不宜超过50kg。
板间用砂浆挤压、填平，并及时勾缝与养护。
因水泥土的抗冻性较差，故对耐久性要求高的明渠水泥土防渗层，宜用塑性水泥土铺筑，表面再用水泥砂浆、混凝土预制板、石板等材料作保护层。
此种防渗层结构，水泥土的水泥掺量可以适当减少，但水泥土28d的抗压强度不应低于1.5MPa。
表3-2 土料防渗层厚度表
土料种类
防渗层厚度表（cm）
渠底
渠坡
侧墙
高液限黏质土
中液限黏质土
灰土
三合土
四合土
20～40
30～40
10～20
10～20
15～20
20～40
30～60
10～20
10～20
15～25
20～30
20～40
3．砌石防渗。
护面式砌石防渗层的厚度（见图3-1），浆砌料石采用15～25cm；浆砌块石采用20～30cm；浆砌石板厚度不宜小于3cm。
浆砌卵石、干砌卵石（见图3－2）挂淤护面式防渗层的厚度一般采用15～30cm。
为了防止渠基淘刷，提高防渗效果，干砌卵石挂淤渠道可在砌体下面设置砂砾石垫层或低标号砂浆垫层。
浆砌石板防渗层下，可铺厚度2～3cm的砂料或低标号砂浆垫层。
对防渗要求高的大中型渠道，可在砌石层下加铺粘土、三合土、塑性水泥土或塑膜层。
图3－1 浆砌石渠道护面结构
（a）护面式结构 （b）挡土墙式结构
护面式浆砌石防渗层一般不基上挡土墙式浆砌石防渗层宜设10～15m。
4．膜料防渗。
膜料的基本和沥青。
按防渗材料可分为塑料类、沥青和环氧树脂类。
按加强不加强土工膜（直喷式土工膜加强土工膜（玻璃纤维布、聚酯纤维布作加强材料）、复合型土工膜（土工织物作基材）。
目前我国渠道防渗工程普遍采用聚乙烯和聚氯乙烯塑料薄膜，其次是沥青玻璃纤维布油毡。
此外，复合土工膜近几年也陆续采用。
膜料防渗多用埋铺式，其结构一般包括：
膜料防渗层、过渡层、保护层等。
如图3－2所示。
图3-2 埋铺式膜料防渗体的构造
（a）无过渡层的防渗体；（b）有过渡层的防渗体
用作过渡层的材料很多，应因地制宜地选用。
过渡层的厚度见表3-3。
表3-3 过渡层厚度
过渡层厚度
厚度（cm）
灰土、塑性水泥土、砂浆素土、砂
2～3
3～5
素土保护层厚度，当时，全铺式的梯形、台阶形、锯齿形断面，半铺式的梯形和底铺式断面保护层的厚度，边坡与渠底相同。
见表3-4；当时，梯形和五边形渠底土保护层的厚度见表3-4，渠坡膜层顶部土保护层最小厚度，温暖地区为30cm，寒冷地区为35cm。
表3-4 素土保护层的厚度
单位：
cm
保护层土质
渠道设计流量（m3／s）
＜2
2～5
5～20
＞20～
砂壤土、轻壤土
中壤土
重壤土、粘土
45～50
40～45
35～40
50～60
45～55
40～50
60～70
55～60
50～55
70～75
60～65
55～60
刚性材料保护层厚度见表3-5。
也可在渠底、渠坡和不同渠段，采用具有不同抗冲能力、不同材料的组合式保护层。
表3-5 不同材料保护层的厚度
单位：
cm
保护层材料
水泥土
块石、卵石
砂砾石
混凝土
现浇
预制
保护层厚度
4～6
20～30
25～40
≥30
4～10
4～8
5．沥青混凝土。
沥青混凝土防渗层厚度一般5~6cm（见图3-3），大型渠道可采用8～10cm。
有抗冻要求的地区，渠坡防渗层可采用上薄下厚的断面，一般坡顶厚度5～6cm，坡底厚度8～l0cm。
整平胶结层采用等厚断面。
沥青混凝土边长不宜大于1.0m，厚度采用5～8cm。
预制板一般用沥青砂浆砌筑；在地基有较大变形时，也可采用焦油塑料胶泥填筑。
图3-3 沥青混凝土防渗体的结构形式
（a）无整平胶结层的防渗体；（b）有整平胶结层的防渗体
1－封闭层；2－防渗层；3－整平胶结层；4－土（石）渠基；5－封顶板
6．混凝土防渗。
混凝土防渗层采用等厚板，当渠基有较大膨胀、沉陷等变形时，除采以 取必要的地基处理措施外，对大型渠道宜采用楔形板、肋梁板、中部加厚板或“Ⅱ”形板。
混凝土防渗体的结构形式如图3-4所示。
图3-4 混凝土防渗体的结构形式
3.1.3选择防渗技术措施应考虑的因素
表3-1系我国SL18-91《渠道防渗工程技术规范》规定的各种渠道防渗材料的技术特点、防渗效果、运用条件等，可根据拟建渠道的基本资料，在上述设计总则指导下，具体的进行设计。
设计时尚应综合考虑下列影响因素。
（一）气候条件
气候条件是渠道防渗工程设计和施工应要考虑的基本因素。
它对防渗材料的耐久性和施工方法具有决定性作用，也是工程防冻胀设计的决定性因素。
（二）地形条件
地形条件往往是决定渠道防渗工程造价的重要因素，在渠道防渗措施中，压力管道受地形影响最小，但太贵；低压管道、输水槽以及混凝土等防渗渠道，较能适应地形的变化；而土料及埋铺式膜料（土保护层）防渗渠道，因允许流速小（为混凝土的1／6左右），只能用于较平坦地区。
因此，选择防渗方案时，应考虑地形条件。
（三）基土性质
基土的渗透性是决定有无防渗必要和采用哪种防渗措施的关键，土的冻胀敏感性和抗压强度等都是工程设计应考虑的主要性能。
对黄土类、壤土类等基础好、渠床稳定的地区，一般采用混凝土、砌石等防渗措施。
但在含膨胀性粘土或石膏以及孔状灰岩的渠基上，一般不宜采用刚性材料，应采用厚压实土料，或埋铺式膜料类的柔性防渗措施。
对于湿陷性黄土渠基，防渗前做完浸水处理后，最好采用埋铺式膜料防渗。
也可以改变渠线，使渠道绕过不良土质地带。
无法改线时，可用砂、砾石或其他土料换基，以代替不良土壤。
但此法造价高， 除有抗冻害要求和附近有合适的代换材料外，一般不宜采用。
在选择防渗方案时，应尽量考虑土渠开挖土方的应用问题。
如有适宜的土料，可采用压实土料防渗；如开挖的土料不能压实，但可以用作膜料防渗的保护层时，则应采用埋铺式膜料防渗。
（四）地下水位
地下水位高于渠底时，防渗层存在承受扬压力的问题。
必须在防渗层下设排水设施。
在寒冷地区，地下水位的高低，是防渗工程进行防冻胀设计时需要考虑的。
（五）土地利用及灌溉系统的形式
为减少占地，在城郊及人口密集地区，应采用暗渠（管）、输水槽或边坡较陡的如U形、矩形断面等刚性材料防渗渠道。
为了改善旧有灌溉系统和用水方式，如合并地块，改连续输水为轮流输水，改变种槽作物等，都应考虑采用刚性材料防渗，使配水渠系占地最小。
同时也使轮流输水的渠系能更好地满足配水要求。
（六）防渗标准
在水费很高的地区，或渗漏水有可能引起渠基失稳，影响正常运行的渠道，防渗标准应提高。
建议采用下铺膜料，上部用混凝土板作保护层的措施。
据国外有关经验，厚10cm的混凝土防渗渠道，平均渗漏量为21L／（m·天），如在混凝土层下加铺聚氯乙烯薄膜，可减少渗漏量95％。
只要持续12年，节约的水量，就足以抵偿塑膜增加的投资。
（七）耐久性
据资料介绍，埋设混凝土管道使用年限按50年计算，年养护费占造价的0.1％。
印度用的沥青粘土混合料防渗，使用年限按5年计，年养护费为造价的l0％。
厚2.5cm的泥浆衬砌，估计不超过2年，年养护费为造价的25％。
使用年限，对计算工程的经济效益，影响很大，设计时应慎重确定。
（八）材料来源
应本着因地制宜、就地取材的原则选用防渗措施。
料源应充足。
如当地无砂、石料而又必须采用混凝土防渗的重要工程，可以采用在他处预制，运到当地施工，或采用人工制砂、石的办法。
当水中含有较多泥沙，且渠基为砂砾石时，如旧渠由于运用时间已久，有天然淤填的作用，也可能不再需要采用其他防渗措施等。
（九）劳力、能源及机械设备供应情况
在劳力较多、工资较低的地区，应采用能充分利用劳动力的措施。
如采用预制陶瓷板及混凝土板安砌和压实土料防渗等。
如压实厚度超过0.5m或用现浇混凝土防渗的，则可采用推土机、铲运机、羊足碾及浇筑机等设备，以保证施工质量，加快施工进度，使防渗工程早日受益。
（十）管理养护
如渠道需要频繁地放水和停水，渠道水位有较大的升降变化时，最好采用刚性材料防渗。
土料防渗，不能控制杂草及淤积，同时在劳力昂贵的地方，并不比刚性材料防渗便宜。
明铺式膜料、薄粘土层或薄压实土料防渗，易受牲畜践踏等外力破坏，故在使用上受到限制。
在已成土渠上建防渗工程，因施工时间短，渠基不能很快干燥，很难采用现浇的刚性材料护面，故最好能采用机械或人工预制安装混凝土板的措施，以加快进度，保证输水。
（十一）工程费用
渠道防渗措施是否经济，应以效益的大小来衡量。
在资金允许情况下，应尽量选取标准较高的防渗方案。
新建渠道的防渗工程应与修渠同时进行，设计和施工一次完成。
3.2防渗渠道的设计
3.2.1防渗渠道断面形式
防渗道断面形式见图3-5。
明渠可选用矩形、梯形（包括弧形底梯形、弧形坡脚梯形）、形和复合形；无压暗渠可选用城门洞形、箱形、正反拱形和圆形。
不同防渗材料可参照3-5选用适宜的断面形式。
图3-5 防渗渠道的横断面形式
（a）梯形断面；（b）弧形底梯形断面；（c）弧形坡脚梯形断面；（d）复合形断面；（e）u形断面；（f）矩形断面；（g）城门洞形暗渠；（h）箱形暗渠；（i）正反拱形暗渠；（j）圆形暗渠
梯形横断面施工简便、边坡稳定，在地形、地质无特殊问题的地区，可普遍采用。
弧形底梯形、弧形坡脚梯形、u形渠道等，由于适应冻胀变形的能力强，能在一定程度上减轻冻胀变形的不均匀性，在北方地区得到了推广应用。
U形渠道自20世纪70年代在我国开始应用，在渠道上目前已得到了广泛的应用。
其主要优点足：
①水力条件好，近似最佳水力断面，可减少衬砌工程量，输沙能力强，有利于高含沙引水；②在冻胀性和湿陷性地基上有一定的适应地基不均匀变形的能力；③渠口窄，节省土地，减少挖填方量；④整体性强，防渗效果优于梯形渠道；⑤便于机械化施工，可加快施工进度。
暗渠具有占地很少、在城镇区安全性能好、水流不易污染等优点。
在冻土地区，暗渠
可避免冻胀破坏。
因此，在土地资源紧缺地区应用较多。
表3-5 不同材料防渗渠道适用的横断面形式
防渗渠道材料类别
防渗渠道横断面形式
明渠
暗渠
梯形
矩形
复合形
弧形底梯形
弧形坡脚梯形
U形
城门洞行
箱形
正反拱形
圆形
素土
∨
∨
∨
灰土
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
黏砂混凝土
∨
∨
∨
膨润混合土
∨
∨
∨
三合土
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
四合土
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
塑性水泥土
∨
∨
∨
∨
干硬性水泥土
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
料石
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
块石
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
卵石
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
石板
∨
∨
∨
∨
土保护层塑膜
∨
∨
∨
沥青混凝土
∨
∨
∨
混凝土
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
刚性保护层塑膜
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
3.2.2安全超高
衬砌护面应有一定的超高，以防风浪对渠床的冲刷。
衬砌超高指加大水位到衬砌层顶
端的垂直距离。
小型渠道可采用20～30cm，大型渠道可采用30～60cm。
衬砌层顶端到渠
道的堤顶或岸边也应有一定的垂直距离，以防衬砌层外露于地面，易受交通车辆等机械损
坏；也可防止地面径流直接进入衬砌层下面，威胁渠床和衬砌层的稳定。
这个安全高度一
般为20～30cm。
U形渠道衬砌超高d。
和渠堤超高n值见表3-6。
表3-6 U形渠道衬砌超高和渠堤超高
加大流量
＜0.5
0.5～1.0
1.0～10
10～30
0.1～0.15
0.15～0.2
0.2～0.35
0.35～0.5
0.2～0.3
0.3～0.4
0.4～0.6
0.6～0.8
3.2.3防渗渠道的设计参数
防渗渠道的设计参数除渠道的设计流量外，还有边坡系数、糙率、超高、不冲不淤流速、伸缩缝间距及填缝材料、砌筑缝及其填筑缝材料、渠底比降、稳定渠床的宽深比、堤顶宽度和封顶板等。
设计参数选择的是否正确，关系到渠道的工程量大小、输水能力、防渗效果、渠床是否稳固和安全运用，以及工程效益的发挥等，因此设计参数必须谨慎设计，认真选择。
本节对设计参数如何设计与选择不作介绍，请参阅有关书籍。
3.2.4防渗渠道的水力断面计算
（一）水力断面计算的基本公式
各种渠道断面设计的准确尺寸，应通过如下基本计算公式确定，即
（式3-1）
式中：
——渠道平均流速，mm/s；
——谢才系数，m1/2/s；
——水力半径，m；
——渠底比降。
谢才系数常用曼宁公式计算
（式3-2）
式中：
——渠道糙率系数。
（式3-3）
式中：
——渠道设计流量，m3/s；
——渠道过水断面面积，m2。
（二）梯形、矩形渠道的水力计算
1．一般断面水力计算
梯形、矩形渠道的水力计算主要是试算确定过水断面的水深和底宽的数值。
试算步骤如下：
（1）假设、值。
为施工方便，底宽应取整数。
因此，一般先假设一个整数的的值，再选择适当的宽深比，用公式计算相应的水深值。
（2）计算渠道的过水断面的水力要素。
根据假设的、值计算相应的过水断面面积、湿周、水力半径和谢才系数。
计算公式如下
（式3-4）
（式3-5）
（式3-6）
用式3-2计算谢才系数。
（3）计算渠道流量。
（4）校核渠道流量。
上面计算出来的渠道流量（）是与假设的、值相应的输水能力，一般不等于渠道的设计流量（），通过试算，反复修改、值，直至渠道计算流量等于或接近渠道设计流量为止。
要求误差不超过5％，即设计渠道断面应满足的校核条件
是
（式3-7）
在试算过程中，如果计算流量和设计流量相差不大，只需修改值，再进行计算；如二者相差很大，就要修改、值，再进行计算。
为了减少重复次数，常用图解法配合：
在底宽不变的条件下，用三次以上的试算结果绘制～关系曲线，在曲线图上查出渠道设计流量和相应的设计水深，如图3-6所示。
如图3-6 h～Q关系曲线
（5）校核渠道流速。
设计断面尺寸不仅满足设计流量的要求，还要满足稳定渠道的流速要求。
用式3-8计算经流量校核选择的渠道断面通过设计流量时所具有的流速。
（式3-8）
然后按不冲流速（）和不淤流速（）校核，计算出来的流速应满足以下条件。
（式3-9）
如不满足流速校核条件式3-8，就要改变最初假设的底宽值，重新按以上步骤进行计算，直到既满足流量校核条件又满足流速校核条件为止。
（二）水力最佳断面的水力计算
采用水力最佳断面时，可按以下步骤直接求解：
1．计算渠道的设计水深。
由梯形（矩形）渠道水力最佳断面的宽深比计算公式、渠道断面水力要素计算式3-2、式3-4、式3-5和式3-6，通过流量计算公式3-3可求得水力最佳断面的渠道设计水深为
（式3-10）
2．计算渠道的设计底宽
（式3-11）
3．校核渠道流速。
流速计算和校核方法与采用一般断面时相同。
如果设计流速不满足校核条件，说明不宜采用最优断面形式，就要按采用一般断面时的试算步骤设计渠道断面尺寸。
【例3－l】设计混凝土衬砌渠道，设计流量m3/s，，渠道比降边坡系数，糙率系数选用，渠道不冲流速m/s，不淤流速 m/s。
试确定渠道的断面尺寸。
解：
第一方案：
按一般断面形式设计。
（1）初设m，m，作为第一次试算的断面尺寸。
（2）计算渠道断面各水力要素
（3） 计算渠道流量
（4）校核渠道流量
因此流量校核不符合要求，需要换值，重新计算。
为此，又假设等4个值按上述步骤重新计算，计算结果列入表3-7。
表3-7 渠道横断面尺寸计算
（m）
（m2）
（m）
（m）
（m1/2/s）
（m3/s）
1.5
6.19
6.75
0.92
70.44
8.36
1.6
6.72
7.00
0.96
70.94
9.34
1.65
6.99
7.13
0.98
70.19
9.85
1.7
7.27
7.25
1.00
71.43
10.39
1.75
7.55
7.38
1.02
71.66
10.93
按表3-7的计算结果绘制的～关系曲线见图3-7。
从图中查得m3/s ，相应水深m。
（5）校核流量
m/s
设计流速
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