渠道防渗现况与改进之策范文

渠道防渗工程技术就是为了防止或减少由渠道水量渗漏损失而采取的各种工程技术和方法,力求以最低的投入,尽可能多地将水源引水量、安全、快速输送到田间,达到低投入、高效益的目的。

一、渠道防渗的必要性

我国是一个拥有13亿人口的农业大国,而农业的高速发展离不开灌溉技术的不断发展。目前,我国农业年用水量约为3860亿m3,这些水绝大部分被用于农田灌溉,约占全国总用水量的70%,而有效利用率只有43%,远低于欧洲和以色列70-80%水平[1],57%属于无效损失。我国渠系水利用系数平均不到0.5,低于美国的0.78、日本的0.61、巴基斯坦的0.58[2]。据统计,全国渠系年输水损失为1730亿m3左右,占农业总用水量的45%,全国总用水量的33%[3]。目前,我国还有很大一部分渠道没有采取防渗措施,仍然是土渠输水,水因渗漏损失巨大[4]。研究表明,渠道防渗可使渠系水利用率提高20-40%,减少渠道渗漏损失50-90%[5,6]。由此可以看出,渠道防渗节水潜力巨大,同时可以大大降低灌溉成本。

渠道防渗是诸多农田灌溉节水措施中应用最为广泛的主要节水措施之一。渠道防渗一方面可以减少渠道渗漏,提高水的利用率,节约的灌溉用水可用来扩大灌溉面积,促进农业生产的发展;另一方面渠道防渗可以调控地下水位,防止次生盐渍化的发生,使盐碱地和沼泽地得到改良,明显改善生态环境;此外,渠道防渗还具有减少渠道管护费用、节约用地面积等多种效益。因此,进一步推动渠道防渗工程技术的发展和推广应用,对我国农业的可持续发展以及生态环境建设与保护是十分必要的。

二、我国渠道防渗工程技术现状

我国渠道防渗工程技术的发展,始终是以开发防渗材料为先导,同时研究、推广相应的防渗渠道断面形式及防渗层结构。很多单位还结合工程中遇到的各种特殊土基渠道,对相应的防渗技术进行实验研究,探索出了很多实用的技术方法。为提高工程质量、加快施工进度,一系列实用性强的施工机械被研制出来并逐步得到推广。在这些研究和应用的基础上,初步形成了一系列成套的渠道防渗工程技术。

1、防渗渠道衬砌结构形式

各地结合工程具体条件采用的衬砌断面形式有梯形(包括弧形底梯形、弧形坡角梯形)、复合型、、U形和矩形(详见图1)[4]。梯形断面(图1-a)、矩形断面(图1-f)的渠道虽然衬砌施工简单,但水流条件不好,抗冻性能差。U形(图1-d)、弧形底梯形(图1-c)、弧形坡角梯形(图1-e)断面的渠道,具有防渗效果好、水流条件佳、挟沙能力强、占地面积小、结构稳定性好、抗冻胀变形能力强、投资较少、寿命较长等优点。U形适用于小型渠道,弧形底梯形适用于中型渠道,弧形坡角梯形则适用于地下水位埋深浅地区的大、中型渠道。近年来,国内外都趋于向复合结构衬砌形式发展(图1-b),这种衬砌结构形式集合了上述几种衬砌结构形式的优点,在生产实际当中得到了越来越广泛的应用。当然,在施工过程当中,选取何种断面形式还要根据输水要求和当地实际情况来定。

2、渠道防渗材料的种类及其适用条件

防渗材料分为土料类、水泥土类、石料类、膜料类、混凝土类、沥青混凝土类等,各种防渗材料的特点及适用条件如下所述。

(1)土料类

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、石等构成。使用年限为5-25年。土料防渗是我国沿用已久的防渗措施,特别是在一些资金缺乏的中、小型渠道上应用较多。该材料可以就地取材,造价低,施工简便,但是抗冻性、耐久性较差,需劳动力多,质量不易保证。随着经济的不断发展以及各种防渗新材料的不断问世,传统的土料防渗措施正在逐年减少。适用于气候温和地区的中、小型渠道。

(2)水泥土类

包括干硬性水泥土、塑性水泥土,主要原材料由壤土、砂壤土、水泥等构成。使用年限为8-30年。优点主要有就地取材,造价较低,施工较容易,缺点是强度低、抗冻性较差,水泥土这一缺点已成为此种材料大面积推广的障碍,只适用于气候温和无冻害地区且附近有壤土和砂壤土的渠道。

(3)石料类

包括浆砌料石、浆砌块石、浆砌卵石、浆砌石板,主要原材料由料石、块石、卵石、石板、水泥、石灰等构成。使用年限为25-40年。具有能就地取材、抗流速大、耐磨能力强、抗冻和防冻害能力强,并具有较好的防渗效果和较强的稳定性等优点,是我国采用最早、应用较广泛的渠道防渗措施。缺点是不易机械化施工,施工质量难于控制,需劳动力多等,且造价不一定低。适用于石料来源丰富、有抗冻与抗冲要求的渠道。

(4)膜料类

指的是不透水的土工织物(即土工膜),包括土料保护层、刚性保护层。土工膜料的品种很多,常见的有聚乙烯、聚氯乙烯等。使用年限为20-30年。该材料具有防渗性能好(可减少渗漏损失达90-95%以上)[7,8]、适应变形能力强、质量轻、用量少、运输量小、施工简便、工期短、耐腐蚀性强、造价低等优点。但由于土工膜较薄,在施工和运行管理期易被刺破,使得其防渗性能大大降低。适用于中、小型低流速渠道。

(5)混凝土类

包括现场浇筑、预制铺砌、喷射法施工,主要原材料由砂、石、水泥、速凝剂等构成。使用年限为30-50年。优点主要有防渗、抗冲性能好,糙率低,强度高,耐久性强,便于管理等。在我国已有40多年的应用历史,是目前我国广泛采用的一种渠道防渗技术措施,但也有适应变形的能力差,需较多的施工设备,施工较繁杂,特别是在缺乏砂石料的地区造价较高等缺点。适用于各类渠道。近年来,随着混凝土渠道防渗技术的提高与发展,加之混凝土与防渗膜复合式防渗结构形式的快速发展,已成为目前我国渠道防渗技术采用最广泛的材料之一。

(6)沥青混凝土类

包括现场浇筑、预制铺砌,主要原材料由砂、石、水泥、沥青等构成。使用年限为20-30年。具有良好的不透水性,适应冻胀变形能力较好,耐久性等优点,缺点是造价高,料源少。适用于有冻害地区且附近有沥青料源的渠道。国外在土石坝和渠道防渗工程中早有较多的应用。我国于1951年首次在甘肃省河西地区的武威黄羊河干渠进行了沥青混凝土渠道防渗[9]。由于受料源不足、施工工艺要求严格等原因的影响,该材料应用发展比较缓慢。

(7)土壤固化剂

该材料能与各类土壤发生化学或生物作用,改变土的性质,如土的结构、亲水性等,形成具有一定承载能力、抗渗能力和耐久性的固化土。使用年限与外部环境特别是土壤的理化性质密切相关。该材料用于渠道防渗工程上具有工程造价低、施工简单方便、防渗效果较好等优点,但存在抗冻性不稳定、耐久性差等缺点。因此,提高固化后土壤的抗冻性和水稳性是今后的重要研究方向。适用于有一定抗冻要求的渠道。

(8)玻璃钢

玻璃钢强度高、重量轻、耐腐蚀和抗微生物性能好。玻璃钢用于渠道防渗具有防渗性能好(每千米渠道输水损失小于0.1%)、使用寿命长(可达20a)、过流条件好(与混凝土渠相比,过流能力提高50%)、造价低廉(比混凝土渠节省投资10-20%)、占地面积小(比混凝土渠减少占地30%)等优点[10]。适用于各种类型的渠道与土壤。

实践证明,采用单一的防渗材料很难达到理想的防渗效果和耐久性,在不断的经验积累过程中,复合防渗形式逐渐被应用于生产实践。例如,利用土工膜料或塑性水泥土等做防渗层,用混凝土等刚性材料或土料作保护层,为了防冻害还可以增加保温层和排水层形成复合结构的防渗形式目前在国内许多灌区已有应用,其防渗效果明显优于单一混凝土衬砌防渗。

3、施工机械与技术

在渠道防渗施工技术方面,国外发达国家以机械化施工为主,我国目前仍以人工施工、半机械化施工为主,与国外存在较大差距,但已逐渐向机械化施工方向发展。全国各地在生产实践过程中设计出了很多简单实用且成本低廉的施工机械,并对其相应的施工技术进行了研究,取得了大量的成果[8~11]。比如,U形渠道工程施工机械被大量推广应用,就是与施工机械的研制和应用分不开的。这些施工机械的共同特点是简易、轻便、价格低、适用。这些成果的应用大大降低了施工成本,适用性强,节约了劳动力,提高了施工速度。

三、存在问题和对策

我们国家和很多地区在渠道防渗工程方面投入了巨大的财力和人力,科研方面的投入也逐渐增加,但渠道防渗工程技术的发展尚显缓慢,仍赶不上生产发展的需求,一些深层次的技术、材料等问题有待解决。特别是工程环境条件特殊区域的成套防渗技术,包括防渗效果好、经久耐用、成本低的新型材料的应用技术,高精度的防渗防冻胀设计技术,造价低廉的特殊土渠道防渗技术等。此外,渠道防渗工程施工机械品种少、性能单一,很多渠道还是人工或半机械化施工,机械化程度低,施工质量不易达到工程要求,致使某些工程耐久性较差,易于老化,损坏和的返修率较高。因此,要进一步减少渠道渗漏量,提高防渗技术水平,促进渠道防渗工程的发展,这些问题必须重点加以研究解决。

鉴于以上问题,发展和推广防渗工程技术的对策有:

1、加强宣传和技术培训,使广大人民群众认识到节水防渗的重要性。同时,建立健全工程设计的审查、评议以及工程施工的监理、监测等相关制度。

2、进一步加大科研投入,加强跨学科、跨行业的合作,在工程新材料、设计新方法、施工技术和施工机械、工程维修技术等方面深化研究,进一步提高渠道防渗工程建设与管护技术水平。

3、倡导废料和当地材料的合理利用,以降低工程造价、改善区域生态环境。

4、结合生产实际,选择代表性强的地区,建立综合性的高新技术示范工程,以促进渠道防渗工程技术的推广与应用。

综上所述,随着人口的不断增加和人类生活水平的不断提高,人们对水资源以及农产品的需求也不断增长,因此,渠道防渗工程技术对于提高水利用效率、增加农产品输出量方面发挥着重要作用。如何通过新材料的研发、新技术与新方法的应用、管理手段的科学合理化等方面来提高防渗效果、降低投资成本,相关学科与行业有关人员任重而道远。