渠道防滲現(xiàn)況與改進(jìn)之策

渠道防滲工程技術(shù)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(shù)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(dá)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(nóng)業(yè)大國,而農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展離不開灌溉技術(shù)的不斷發(fā)展。目前,我國農(nóng)業(yè)年用水量約為3860億m3,這些水絕大部分被用于農(nóng)田灌溉,約占全國總用水量的70%,而有效利用率只有43%,遠(yuǎn)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(shù)平均不到,低于美國的、日本的、巴基斯坦的[2]。據(jù)統(tǒng)計,全國渠系年輸水損失為1730億m3左右,占農(nóng)業(yè)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(jié)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(nóng)田灌溉節(jié)水措施中應(yīng)用最為廣泛的主要節(jié)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(jié)約的灌溉用水可用來擴(kuò)大灌溉面積,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展;另一方面渠道防滲可以調(diào)控地下水位,防止次生鹽漬化的發(fā)生,使鹽堿地和沼澤地得到改良,明顯改善生態(tài)環(huán)境;此外,渠道防滲還具有減少渠道管護(hù)費用、節(jié)約用地面積等多種效益。因此,進(jìn)一步推動渠道防滲工程技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用,對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)是十分必要的。

二、我國渠道防滲工程技術(shù)現(xiàn)狀

我國渠道防滲工程技術(shù)的發(fā)展,始終是以開發(fā)防滲材料為先導(dǎo),同時研究、推廣相應(yīng)的防滲渠道斷面形式及防滲層結(jié)構(gòu)。很多單位還結(jié)合工程中遇到的各種特殊土基渠道,對相應(yīng)的防滲技術(shù)進(jìn)行實驗研究,探索出了很多實用的技術(shù)方法。為提高工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度,一系列實用性強(qiáng)的施工機(jī)械被研制出來并逐步得到推廣。在這些研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上,初步形成了一系列成套的渠道防滲工程技術(shù)。

1、防滲渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式

各地結(jié)合工程具體條件采用的襯砌斷面形式有梯形、復(fù)合型、、U形和矩形[4]。梯形斷面、矩形斷面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、弧形底梯形、弧形坡角梯形斷面的渠道,具有防滲效果好、水流條件佳、挾沙能力強(qiáng)、占地面積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、抗凍脹變形能力強(qiáng)、投資較少、壽命較長等優(yōu)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(qū)的大、中型渠道。近年來,國內(nèi)外都趨于向復(fù)合結(jié)構(gòu)襯砌形式發(fā)展,這種襯砌結(jié)構(gòu)形式集合了上述幾種襯砌結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點,在生產(chǎn)實際當(dāng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然,在施工過程當(dāng)中,選取何種斷面形式還要根據(jù)輸水要求和當(dāng)?shù)貙嶋H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。

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(gòu)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(yīng)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(zhì)量不易保證。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及各種防滲新材料的不斷問世,傳統(tǒng)的土料防滲措施正在逐年減少。適用于氣候溫和地區(qū)的中、小型渠道。

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(gòu)成。使用年限為8-30年。優(yōu)點主要有就地取材,造價較低,施工較容易,缺點是強(qiáng)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(qū)且附近有壤土和砂壤土的渠道。

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(gòu)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(qiáng)、抗凍和防凍害能力強(qiáng),并具有較好的防滲效果和較強(qiáng)的穩(wěn)定性等優(yōu)點,是我國采用最早、應(yīng)用較廣泛的渠道防滲措施。缺點是不易機(jī)械化施工,施工質(zhì)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。

膜料類

指的是不透水的土工織物,包括土料保護(hù)層、剛性保護(hù)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[7,8]、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、用量少、運輸量小、施工簡便、工期短、耐腐蝕性強(qiáng)、造價低等優(yōu)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。

混凝土類

包括現(xiàn)場澆筑、預(yù)制鋪砌、噴射法施工,主要原材料由砂、石、水泥、速凝劑等構(gòu)成。使用年限為30-50年。優(yōu)點主要有防滲、抗沖性能好,糙率低,強(qiáng)度高,耐久性強(qiáng),便于管理等。在我國已有40多年的應(yīng)用歷史,是目前我國廣泛采用的一種渠道防滲技術(shù)措施,但也有適應(yīng)變形的能力差,需較多的施工設(shè)備,施工較繁雜,特別是在缺乏砂石料的地區(qū)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(shù)的提高與發(fā)展,加之混凝土與防滲膜復(fù)合式防滲結(jié)構(gòu)形式的快速發(fā)展,已成為目前我國渠道防滲技術(shù)采用最廣泛的材料之一。

瀝青混凝土類

包括現(xiàn)場澆筑、預(yù)制鋪砌,主要原材料由砂、石、水泥、瀝青等構(gòu)成。使用年限為20-30年。具有良好的不透水性,適應(yīng)凍脹變形能力較好,耐久性等優(yōu)點,缺點是造價高,料源少。適用于有凍害地區(qū)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(yīng)用。我國于1951年首次在甘肅省河西地區(qū)的武威黃羊河干渠進(jìn)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(yán)格等原因的影響,該材料應(yīng)用發(fā)展比較緩慢。

土壤固化劑

該材料能與各類土壤發(fā)生化學(xué)或生物作用,改變土的性質(zhì),如土的結(jié)構(gòu)、親水性等,形成具有一定承載能力、抗?jié)B能力和耐久性的固化土。使用年限與外部環(huán)境特別是土壤的理化性質(zhì)密切相關(guān)。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(yōu)點,但存在抗凍性不穩(wěn)定、耐久性差等缺點。因此,提高固化后土壤的抗凍性和水穩(wěn)性是今后的重要研究方向。適用于有一定抗凍要求的渠道。

玻璃鋼

玻璃鋼強(qiáng)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、使用壽命長、過流條件好、造價低廉、占地面積小等優(yōu)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(dá)到理想的防滲效果和耐久性,在不斷的經(jīng)驗積累過程中,復(fù)合防滲形式逐漸被應(yīng)用于生產(chǎn)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(hù)層,為了防凍害還可以增加保溫層和排水層形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的防滲形式目前在國內(nèi)許多灌區(qū)已有應(yīng)用,其防滲效果明顯優(yōu)于單一混凝土襯砌防滲。

3、施工機(jī)械與技術(shù)

在渠道防滲施工技術(shù)方面,國外發(fā)達(dá)國家以機(jī)械化施工為主,我國目前仍以人工施工、半機(jī)械化施工為主,與國外存在較大差距,但已逐漸向機(jī)械化施工方向發(fā)展。全國各地在生產(chǎn)實踐過程中設(shè)計出了很多簡單實用且成本低廉的施工機(jī)械,并對其相應(yīng)的施工技術(shù)進(jìn)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(jī)械被大量推廣應(yīng)用,就是與施工機(jī)械的研制和應(yīng)用分不開的。這些施工機(jī)械的共同特點是簡易、輕便、價格低、適用。這些成果的應(yīng)用大大降低了施工成本,適用性強(qiáng),節(jié)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(qū)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(shù)的發(fā)展尚顯緩慢,仍趕不上生產(chǎn)發(fā)展的需求,一些深層次的技術(shù)、材料等問題有待解決。特別是工程環(huán)境條件特殊區(qū)域的成套防滲技術(shù),包括防滲效果好、經(jīng)久耐用、成本低的新型材料的應(yīng)用技術(shù),高精度的防滲防凍脹設(shè)計技術(shù),造價低廉的特殊土渠道防滲技術(shù)等。此外,渠道防滲工程施工機(jī)械品種少、性能單一,很多渠道還是人工或半機(jī)械化施工,機(jī)械化程度低,施工質(zhì)量不易達(dá)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(jìn)一步減少渠道滲漏量,提高防滲技術(shù)水平,促進(jìn)渠道防滲工程的發(fā)展,這些問題必須重點加以研究解決。

鑒于以上問題,發(fā)展和推廣防滲工程技術(shù)的對策有:

1、加強(qiáng)宣傳和技術(shù)培訓(xùn),使廣大人民群眾認(rèn)識到節(jié)水防滲的重要性。同時,建立健全工程設(shè)計的審查、評議以及工程施工的監(jiān)理、監(jiān)測等相關(guān)制度。

2、進(jìn)一步加大科研投入,加強(qiáng)跨學(xué)科、跨行業(yè)的合作,在工程新材料、設(shè)計新方法、施工技術(shù)和施工機(jī)械、工程維修技術(shù)等方面深化研究,進(jìn)一步提高渠道防滲工程建設(shè)與管護(hù)技術(shù)水平。

3、倡導(dǎo)廢料和當(dāng)?shù)夭牧系暮侠砝?以降低工程造價、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

4、結(jié)合生產(chǎn)實際,選擇代表性強(qiáng)的地區(qū),建立綜合性