国外渠系工程技术概况-渠系改造

灌溉农业为世界人口提供1/3以上的粮食保证，灌溉工程发挥了无法替代的作用。1950年全世界灌溉面积为14.4亿亩，1995年为37.5亿亩，增加1.6倍，灌溉面积占耕地面积的比例由1950年的7%增加到1995年的18%。虽然全世界总的灌溉面积在逐年增加，但由于人口的增长，人均有效灌溉面积在逐年减少。世界范围内水资源紧缺的矛盾，使得世界人口的40%，占世界陆地面积60%的80多个国家面临缺水问题，灌溉水源被城镇工业、生活挤占，农业灌溉面临水源匮乏威胁。大量灌溉工程经过多年运行、由于忽视维护、老化或丧失功能，现有设施急需改造。

美国国家灌溉排水委员会（USCID）主席威廉·普赖斯（William Price）在《灌溉工程修复与现代化改造指南》一书中认为，综观全球，许多灌溉工程忽视维护、超期服役，灌溉工程的供水和水质已和原来的规划目标要求不相称，这些情况和其他一些因素综合起来，决定了灌溉工程需要进行修复和现代化改造。鉴于灌区工程的实际情况，渠系工程的维护、修复和现代化改造得到了世界各国政府和农业灌溉专家的高度重视。

所谓维护，是指保证现有渠道系统及其附属建筑物按照原设计要求安全有效运行，而采取的一系列工程措施，主要包括局部整修，实行一些较小的改善，使工程设施得以按照正常程序进行工作。修复是指在灌溉设施的功能不能满足原来的设计标准和控制要求，而作出的更新或进行的补救工作，除了工程的修复以外，还包括运行程序、管理和组织机构的调整改善。现代化改造是通过对现有灌溉工程的改造，提高设计标准、运行能力和管理水平。现代化改造不仅仅是对现有灌溉设施进行简单的修复，它包括设计标准、规模、环境及管理手段等全方位的改造，其目的是全面提高经济和社会效益。

目前，世界各国渠系工程的修复和现代化改造主要集中在渠道的防渗工程建设及其相应的抗冻害治理。渠道系统的自动化控制、灌溉输配水的优化调度等信息化改造也得到了较快发展，其中，各类防渗抗冻工程建设速度快，技术水平高，并在世界范围内得到一定的普及。

（一）美国的渠系改造工程特点

美国的渠系改造工程特点是将防渗作为重点，并高度重视环境及生态的保护。美国在历史上曾采用的防渗类型有：混凝土、沥青、浆砌石、埋藏式或外露式膜料、压实土等，目前采用的主要有混凝土、埋藏式膜料和压实土三种。至1987年，美国垦务局累计共建各类防渗渠道总长为8250km，其中混凝土占58%，埋藏式膜料占9%，压实土占27%。到1995年，累计共建防渗渠道1万km。垦务局认为不存在一种能适合多种条件的最好防渗形式，选择防渗形式必须因地制宜。主要影响因素包括：工程标准和要求，气候条件，水力学条件，地基条件，地下水及排水条件，当地建筑材料，施工设备，经济因素，如劳动力条件，土地及水资源价值及各种防渗方案的建设、运行和维修费用等。

与我国情况不大相同的是，美国垦务局认为在一般条件下，混凝土防渗由于土方量小，占地少，其造价可能比压实土膜料防渗便宜。由于混凝土防渗具有防渗效果好，能适应高流速，防草清淤及管理费用低等优点，故目前多采用此种材料。压实土防渗具有抗冻胀能力强，高地下水位影响小，节省投资等优点，在美国防渗渠道中仍占近1/3的比重。近年来，随着塑膜工业的发展，各种改性、抗老化、抗拉强度和抗撕裂强度均大幅度提高的新型塑膜材料不断研制推广，膜料防渗成为新的渠系改造型式。总的看，混凝土防渗渠仍然是美国目前最主要的渠道防渗形式，尤其是一些大型引水工程，如亚利桑那引水工程、盐河工程、加州考契拉灌区工程等总干和干渠均采用混凝土防渗。但目前已逐步用更多的膜料防渗或压实土防渗型式代替混凝土防渗。

1.混凝土防渗渠道

美国的混凝土渠道包括素混凝土、钢筋混凝土和喷射混凝土等几种，有统一的设计标准和施工标准，便于采用机械化施工，衬砌厚度和混凝土标号都较高；当流量为0.014～566m3/s时，渠道宽深比为1.0～3.0，远大于水力最佳断面，混凝土衬砌厚度为64～114mm，混凝土强度标号为20.6～24.1MPa，均高于我国的有关标准。有关参数见表1-2。

混凝土防渗渠建设中对排水设施十分重视，要求三种情况需设排水设施。①地下水位较高地区；傍山渠道地下水渗入渠道地区。②渠道水位下降速度不得大于15cm/h或45cm/24h，否则，为防止混凝土板后土壤水分对衬砌板的背部压力，必须设排水。③冻胀地区的渠道。排水形式有两种：第一种是设透水暗沟或暗管将地下水引入集水井，自流或用水泵将水排出渠外；第二种是在渠道坡脚处设置单向排水管（井），当渠基中水位高于渠水位或渠道放空时，土壤水分通过排水管流入渠内，降低渠基土壤水位；当渠道通水、渠道水位高于渠基水位时，单向排水管自动关闭，防止渠水向堤内渗透。排水管（井）间距与横向伸缩缝间距相同，设于两条伸缩缝之间。

表1-2　渠道宽深比及衬砌厚度

混凝土护面横向伸缩缝间距由混凝土厚度确定，一般取40～50倍衬砌厚度，见表1-3。纵向缝的间距是，当衬砌板的横截面长（两坡坡长和渠底底宽之和）小于6.1m时，则不设纵向缝，大于6.1m时，纵缝间距不大于横向间距。

表1-3　伸缩缝间距

垦务局设计的伸缩缝均为半缝，即底部混凝土未分开。设计者认为下半部温度变化远小于上半部，伸缩变形很小。伸缩缝止水有2种形式，一是在浇筑混凝土时，在混凝土上挖槽设伸缩缝。槽的深度不小于1/3衬砌厚，上口宽15.9mm，缝内填充材料为人造橡胶等弹性材料。另一种是浇混凝土面板时同时埋入伸缩缝材料。纵缝止水带高度较大、厚度较薄，横缝止水带厚度较大，以承受较大的伸缩量。半缝式伸缩缝便于机械化施工，实际运用中未发现问题。

美国的混凝土衬砌渠主要工序均采用机械化施工，衬砌机分全断面衬砌机和半断面衬砌机两种。全断面衬砌机主要用于较小型渠道，衬砌机运行时，两个边坡及渠底混凝土衬砌一次完成，半断面衬砌机用于大型渠道，可以先衬边坡再衬渠底；也可以先衬一个边坡加半个渠底，再衬另一半。衬砌机一般由整平机、浇筑机和养护机三部分组成，混凝土衬砌机在施工时，浇筑机上装有分缝止水带盘，能在浇筑混凝土时同时埋入止水带。

2.压实土防渗渠道

压实土防渗即在原土渠上用沙砾石和粘土的混合土铺垫夯实而成，其优点是，当附近有合适土料时，造价最低；与混凝土衬砌渠相比，对基础的要求比较低，不会因基土冻胀而破坏；对渠道中水位升降变化的适应能力较好；施工设备简单；在保证施工质量的条件下，其防渗能力与混凝土防渗相当，能达到渗漏量小于20L/（m2·d）的要求（垦务局防渗建设标准）。

美国的压实土渠均采用梯形断面，当设计流量1.4～566 m3/s时，宽深比为2.0～8.0，渠道断面为宽浅形断面。边坡系数和衬砌厚度由设计水深确定，见表1-4。

表1-4　压实土渠边坡系数及衬砌厚度表

3.膜料防渗渠道

美国目前用得最多的防渗膜料为聚氯乙烯、聚乙烯等材料，聚氯乙烯稍贵于聚乙烯，但其强度及耐久性优于聚乙烯。垦务局设计膜料防渗时只用聚氯乙烯膜料，其厚度为0.5mm。要求薄膜拼接宽度不小于1.47m，薄膜搭接宽度不小于38mm，接缝应不透水，各向强度不小于80%的材料强度。膜料拉伸断裂强度，各向最小值8.0N/mm，断裂时各向延伸率最小值不超过300%，在100%延伸率时变形模量各向最小值不大于3.2N/mm，撕裂强度各向最小值不大于26.7N。

膜料覆盖材料有两种型式：一种为纯砂砾料，边坡系数采用2；另一种为土覆盖层上加覆砂砾护面，边坡系数为3左右。通常不采用纯土料作为覆盖层，以防冲刷和滑坡。

膜料防渗渠施工时要求：①地基应平整、压实；当地基为石质或含有石子时，应超挖至少76mm，再回填砂；地下水位较高时，应设永久性排水设施。②膜料宽度应与渠道横断面尺寸相同，当不能满足这一要求时，至多设一条现场纵缝，搭接宽度不小于153mm，同时加以粘接。③自渠道下游向上游铺设膜料，横缝搭接宽度不小于914mm，搭接时不加粘接，膜料铺设成松弛状，其尺寸应大于渠道尺寸10%，以适应渠基变形。④覆盖层先铺渠坡再铺渠底，土料或砂砾料铺垫时不加碾压，仅倒在覆膜上即可；在土料上加砂砾料覆盖层时，应先将土料层压实。冬季气温较低时一般不施工。

（二）日本的渠系改造工程特点(www.xing528.com)

1.总体改造规划

日本从20世纪70年代以来，针对国家经济的迅速发展，对供水的要求及稳定性日渐提高的要求，在全国范围内对水利工程进行全面的技术改造，主要对策是改造原有用水工程，适当增加新的水源设施。其中，渠系技术改造的中心是：充分利用现有水资源，作好整体区域性规划调度；通过一系列措施使供水线路上的水量损失最小，水质最好；工程本身安全可靠无隐患；提高水量调度的精确性，增加水的有效利用程度，实现渠系管理现代化自动化，具体内容有：

（1）根据区域性、整体规划要求，增辟水源、调整渠道系统，在中下游地区，兴建调节水池，保证供水的稳定性。

（2）对原有混凝土护面的梯形引水渠进行彻底改建。原渠道因老化失修，渠道水渗漏严重，大多改建为钢筋混凝土槽式渠道。施工时沿原渠中线打钢板桩围水改建，另一半渠道正常通水，渠道改建完成后，沿渠道中线留钢筋混凝土隔墙，形成并联式矩形槽式渠。这种改建方法便于采用水力最优断面，节约土地；同时由于采用并联式双渠道输水，便于渠道在不停水情况下进行维修，提高了供水的可靠性。改建后的渠道水利用系数达0.95以上。

（3）渠系工程自动化改造。对已建工程逐步实施自动化改造，对新建工程，全部实施工程管理运行自动化，渠系自动化管理监控的主要项目为：

水位遥测

水质监测

闸位遥控监测

渠道、管道超声波流量遥测

渠道、河道下游防洪报警遥控系统

各分水口泵站、闸门、阀门启闭遥控

（4）渠系建筑物改造和安全监测。主要是老化检修，消除隐患，必要时进行补强加固。安全监测还包括对工程进行安全复核，建筑物主要部位和地基强度及变形监控等。

（5）田间输配水工程标准化整治。实行农田规格化整治，一般将不规则农田按100m×30m标准规格整理，相应的灌溉排水渠（沟）系统也进行标准化改造。支渠以下多采用管道送水，直至田间。

2.渠道防渗技术

日本十分重视渠道防渗工作，现有干、支输水渠道已全部衬砌，田间渠道也已基本衬砌。渠道防渗改造的特点是，大量使用钢筋混凝土预制件，便于机械化施工，建设标准高，渠道多采用矩形断面，并大力采用暗渠和管道输水技术。渠道普遍铺设砂砾石垫层和排水设施，以便排除地下水，同时减少冻胀力，排水管道和底部排水体的布设数量与侧墙的高度、地下水位埋藏深度及土基性质有关，具体设置方式见表1-5。

表1-5　侧墙排水管及底部排水沟的设置

3.渠道防冻害技术

日本从1972年开始对渠道的冻害机理进行试验研究。研究发现冻胀破坏多发生在严寒季节，位于冻胀性基础和水分较多的挖方渠道；填方渠或换填层较厚的渠道很少发生；现场浇筑刚度大的混凝土比装配式边坡砌体破坏小。低气温、冻胀性土壤及高含水量是造成冻胀破坏的主要因素，三者缺一就不会发生冻胀破坏。根据上述机理，采用的防冻胀技术措施包括回避法、置换法和隔热法三大类。回避法即通过明渠改暗渠或降低侧墙外填土高度等方法避免冻胀。置换法主要通过将侧墙后冻胀层置换为能控制冻胀的砂、砾、碎石料，从而减轻或消除冻胀。隔热法采用塑料泡沫板等保温隔热材料代替砂砾料，提高地温，减轻冻胀。

（三）其他国家的渠系改造工程特点

澳大利亚在灌区水利工程建设中十分重视防渗新材料的研究推广，如沥青混凝土衬砌，针刺土工合成材料粘土垫层（needlepunched geosynthetic clay liner）GCLs防渗等。GCLs材料中由膨润粘土（通常选择天然钠质膨胀土）和土工合成材料（通常选择土工布）复合组成以增加防渗效果。采用动态规划法对防渗渠道进行优化设计，约束条件包括水流不冲和不淤流速、自流灌溉水位以及设计流量，容许水量损失约束等，目标函数为渠道防渗建设费用最小。所有计算分析由计算机完成。新的设计方法的应用简化了渠系改造设计过程，同时节省了工程投资。

加拿大Alberta环境研究中心建议采用一种新型的膜料防渗技术，这种膜料由厚度仅为0.05mm的加筋PVC材料复合而成，可埋设在渠堤或防渗体内，具有强度高、耐老化、适应变形、防渗效果好、造价低廉等优点。

埃及是一个水资源缺乏的国家，政府管理的渠道长度约3万km。水资源部大力推进灌区输配水渠道的节水改造，从20世纪90年代开始，进行灌溉渠道衬砌与高架渠道和埋设管道相结合的研究工作。衬砌材料主要包括混凝土、砌砖水泥砂浆、砌石、玻璃纤维增强塑料（薄膜或预制件）、膜料等。通常采用的膜料包括0.25mm和0.50mm厚聚氯乙烯、0.90mm厚增强聚氯乙烯、0.875mm厚丁基橡胶等，其中后三种材料可作为暴露式防渗材料。

法国在南部老灌区的渠系改造中重视现代化改造，将上游控制、轮灌配水的方式改造为下游控制、按需配水。这种新的控制方式采用完全由水力控制的下游恒定水位闸门调控，引水流量能根据下游需要进行自动调节。改造后的渠系如同一个大水库，由计算机进行自动管理，实行动态调节。通过遥测遥控系统，计算机接受有关渠道的状态（各渠段蓄水位、闸门开度）和各取水口耗水量的各种数据，对每一个渠段进行流量、水量平衡分析，并通过远动系统操作闸门至所需要开度。

国外在生态护坡防渗渠建设方面也进行了大量研究，许多国家，特别是欧美发达国家已不再采用单纯的混凝土护坡型式，开始研究具有环境、生态保护功能的新型护坡工程。如采用可降解生物纤维编制袋装防渗粘土，形成台阶堤坡，种植具有固坡防渗效果的草本植物等。防渗护坡采用的优先级顺序是：生物材料方法，如植物、天然粘土材料等；混合方法，如植物与刚（柔）性材料合用；刚性材料方法，如石料、混凝土等。对生态和景观有缺陷的输水工程，尽力予以改善，以恢复大自然的原来面貌。