摘要：对宁夏灌区骨干渠道砌护情况进行了调查，分析了渠道结构破坏的形式、部位与程度，并对不同边坡砌护结构、渠底砌护结构和防渗、保温、排水方式的组合进行了试验研究。提出了适合寒冷地区的骨干渠道砌护三类模式: 现浇混凝土坡脚、预制混凝土板坡脚、格宾石笼坡脚。选用砌护结构形式，要先确定渠身地下水位变化范围、边坡地质岩性、挖方渠道周围水环境，还要兼顾工程投资能力。
宁夏引黄灌区是我国四大灌区之一，20 世纪后期灌区开始对渠道进行防渗衬砌处理。进入21 世纪，宁夏全力推进节水型社会建设，实施灌区续建配套与节水改造工程，在改进渠道砌护技术、完善工程措施方面进行了探索，有效减轻了冻胀对渠道砌护的破坏，提高了渠系水利用效率。笔者以宁夏引黄灌区骨干渠道为对象，通过分析近年来砌护变形和破坏原因，提出适合寒冷地区的渠道砌护方案。
1 概况
1.1 灌区基本特征
（1）经济社会。宁夏位于黄河流域上游，土地面积为6．64万km2，人口有635 万，2010 年GDP 为1 640 亿元。按照自然条件和经济社会发展水平，宁夏可分为北部引黄灌区、中部干旱风沙区和南部黄土丘陵区。北部自秦汉以来，就修渠筑堤，引水灌溉，以占全区1 /3 的耕地，生产了占全区3 /4 的粮食，久享“塞上江南”美誉; 中部土地沙化严重，水资源匮乏，主要依靠扬黄河水解决用水问题; 南部山大沟深、水土流失严重。
（2）气象要素。宁夏引黄灌区各地年均降水量为180 ～220 mm、年蒸发能力为1 200 ～ 1 360 mm、年均气温为8．5 ～10．0 ℃。1 月气温最低，极端低温为－ 30．6 ℃，7 月气温最高，极端高温为41．4 ℃。灌区相对湿度为51% ～ 57%，冰冻期11月上旬至次年4 月上旬，约150 d，冻土深为60 ～ 115 cm。
（3）水资源。宁夏干旱少雨，蒸发强烈，当地地表水资源量为9．49 亿m3。目前用水主要依赖于限量分配的黄河过境水40 亿m3，人均水资源可利用量为650 m3，不到全国平均水平的1 /3，缺水是制约宁夏经济社会发展的瓶颈。宁夏农业耗水量占总用水量的90．4%，作物以小麦、水稻、玉米等为主。全区水资源配置不合理，灌区有较大的节水潜力。
（4）灌区工程。宁夏引黄灌区呈带状分布，南北长约320km，东西宽约40 km。1949 年灌溉面积为12．8 万hm2，目前已经发展到50．7 万hm2，其中自流灌区面积为39．7 万hm2。引黄灌区骨干渠系是20 世纪五六十年代在原有渠道基础上改造、扩展形成的，现有干渠15 条、长1 540 km，引水能力为750m3 /s，支斗农渠12．5 万条、长6．1 万km。2010 年灌区引黄河水量为63．9 亿m3，耗水量为34．8 亿m3。目前，自流灌区干渠砌护率为31．5%，支斗渠砌护率为43．0%，农渠砌护率为6．5%，灌溉水利用系数为0．42[1]，水利基础设施较薄弱。
1.2 渠道状况
（1）工程地质。渠道地层岩性中，强透水土层以卵石、碎石和圆砾为主，约占12%，主要分布在沙坡头灌区; 中等透水土层以粉沙、细沙为主，约占35%; 弱透水土层以壤土、沙壤土和粉质黏土为主，约占53%。灌区地下水埋深为0．8 ～ 4．5 m，SO2 －4含量为65 ～ 1 500 mg /L。
（2）输水断面。灌区各干渠流量为29 ～ 150 m3 /s，灌溉面积为1．3 万～ 8．0 万hm2，渠道深为2．8 ～ 5．0 m、底宽为10 ～ 35m、纵比降为1 /12 000 ～ 1 /6 000; 各支渠流量为5 ～ 40 m3 /s，灌溉面积为0．3 万～ 2．4 万hm2，渠道深为1．6 ～ 2．5 m、底宽为4 ～ 15 m、纵比降为1 /6 000 ～ 1 /4 000。沿渠线纵断面，填方段占30%、半挖半填段占40%、挖方段占30%。
（3）渠道运行。灌区渠道主要为农业灌溉服务，全年输水有两个时段，一是4 月上旬至8 月下旬的春夏灌，二是10 月下旬至11 月下旬的冬灌。干渠年运行180 d 左右，重要的支渠年运行约110 d，斗渠、农渠年运行25 ～ 60 d。冬灌结束时，最低气温一般为－5 ℃左右，渠道渠底有积水段占28．8% ～ 78．7%，平均为41．0%。
1.3 渠道砌护存在的问题
20 世纪70 年代起，宁夏开始对干、支、斗、农渠进行防渗砌护，先期采用的砌护结构形式主要有干砌石、浆砌石、预制混凝土板、现浇混凝土板，后期防渗膜料、置换砂砾和石格宾石笼逐步使用。然而，多年的运行表明，宁夏引黄灌区地处季节性冻土区，区域地下水位变幅大、渠道基土又具冻胀性，渠道砌护结构裂缝、隆起、错位、滑塌等不均匀变形是常见的冻胀破坏现象。渠道砌护体过早破坏，完好年限为16 a左右[2]，严重影响了工程效益的发挥，已不适应新形势对灌区节水和发展民生水利的迫切需要。
2 渠道砌护破坏状况与原因
2.1 破坏状况
笔者2010 年对宁夏灌区骨干渠道砌护情况进行了调查，其结构破坏的形式、部位与程度表现在: ①坡面预制混凝土板或浆砌石勾缝产生水平裂缝，沿坡面上下均有分布，约占破坏类型的26%; ②坡脚浆砌石勾缝砂浆剥蚀严重，突出在坡脚冬季水位变幅区，约占22%; ③坡面结构层鼓胀或塌陷，分布在坡脚以上1 /4 ～ 3 /4 坡长范围，约占16%; ④渠底积水段预制混凝土板表面冻蚀，约占12%; ⑤坡面预制混凝土板错位、穿插，分布在坡脚以上1 /3 坡长附近，约占10%; ⑥坡面预制混凝土板及结构层整体下滑，约占8%; ⑦渠底防渗膜上的覆土冲蚀，约占6%。
2.2 破坏原因
（1）自然因素。①宁夏灌区各地区最冷月平均气温为－6．7 ～－ 9．0 ℃，属寒冷气候区[3]，个别年份最冷月平均气温低于－10 ℃; ②灌区多数地基土粒径小于0．075 mm的土粒质量大于总质量的10%，具冻胀特性，而且基土的冻胀量为6．4 ～17．3 cm[2]; ③渠道走向不同，渠坡接收日照时间长短和产生的冻胀危害程度不同，东西走向的渠道，阴坡比阳坡冻深大20 ～50 cm; ④渠底冬季积水渠段约占41．0%，其对渠底砌护结构有一定的结冰保温作用，但造成坡脚、渠底砌护结构的严重冻害。
（2）运行管理因素。①宁夏引黄灌区有冬灌的要求，渠道在11 月下旬停水时，基土含水量接近饱和状态时进入冻结期;②骨干渠道多穿行于灌区，其中约70%的渠段处于挖方和高地下水位状态; ③对渠道砌护抗冻耐久性缺乏认识，没能处理好渠道防渗节水与边坡稳定的关系，而且工程造价标准低; ④为了避开渠道输水和寒冷时段施工，砌护工程主要在3 月上旬至4 月上旬建设，工期较短，常常造成回填土工程和浆砌石工程质量控制难，另外，预制混凝土板或现浇混凝土板工艺还不完善;⑤缺乏运行费用，渠道砌护日常维护不及时，使已冻胀变形的砌护体继续发生新冻胀隆起。
3 渠道砌护试验
3.1 试验内容
近年来，宁夏在引黄灌区不同区域的汉渠、汉延渠、惠农渠、七星渠、盐环定扬水等骨干渠道上选择10 个渠段进行了20种砌护型式试验，其中包括梯形、弧形坡脚梯形和弧形底梯形三种输水断面。试验中，不同边坡砌护结构、渠底砌护结构和防渗、保温、排水等组合见表1。
表1 砌护试验组合
注:预制混凝土板厚有6、7、8 cm 三种规格。
3.2 试验结果
（1）从减小砌护部位最大冻深、冻胀量和剩余冻胀量的效果看，较好的砌护结构依次为①预制混凝土板+防渗膜+聚苯乙烯板+置换沙砾石; ②预制混凝土板+ 防渗膜+ 聚苯乙烯板; ③干砌铅丝石笼基础+无纺布+浆砌石砌护中坡+预制混凝土板护上坡; ④预制混凝土板+ 聚苯乙烯板; ⑤预制混凝土板+沙砾石; ⑥预制混凝土板+防渗膜; ⑦预制混凝土板; ⑧回填土+防渗膜。
（2）从渠道阴坡与阳坡的砌护冻胀量差异看，东西走向渠道，南侧为阴坡，北侧为阳坡，阴坡冻胀量是阳坡的2．0 ～ 2．8 倍;南北走向渠道，东侧为阴坡，西侧为阳坡，阴坡冻胀量是阳坡的1．1 ～ 1．3 倍。渠底中部冻深大于阳坡冻深、小于阴坡冻深。
（3）从施工质量控制难度与投资大小看，不利的顺序: ①预制混凝土板+防渗膜+聚苯乙烯板+沙砾石; ②干砌铅丝石笼基础+无纺布+浆砌石砌护中坡+预制混凝土板护上坡; ③浆砌石基础护下坡+预制混凝土板护上坡+防渗膜; ④预制混凝土板+防渗膜+聚苯乙烯板; ⑤预制混凝土板+ 防渗膜; ⑥回填土+防渗膜。
（4）从节水效果看，全断面预制混凝土板+ 防渗膜的效果最好，浆砌石组合结构次之，干砌铅丝石笼基础组合结构的效果较差。
4 渠道砌护结构比选
4.1 渠道砌护模式
近10年来，宁夏引黄灌区新增干渠砌护270 km、支渠砌护340 km。多种形式的砌护结构和输水断面得到进一步应用，它们的防渗性、抗冻性得到进一步检验。与此同时，砌护渠道在安全运行、缩短灌溉周期、提高水利用效率等方面成效显著。
通过实践比选，目前适合宁夏引黄灌区骨干渠道的砌护模式有三大类，见表2。
表2 宁夏寒冷地区骨干渠道典型砌护模式
4.2 对渠道砌护的几点认识
（1）寒冷地区渠道砌护目的可以分为两类，一是以防渗为主，通过砌护，确保渠道不冲不於，满足输水要求; 二是以护坡为主，通过砌护，稳定边坡，确保输水断面的要求。因此，在渠道砌护中，应根据已具备的技术水平和经济能力，确定需要解决哪方面的问题。
（2）选用砌护结构形式，先要确定渠身地下水位变化范围、边坡地质岩性、挖方渠道周围水环境，还要兼顾工程投资能力。表2 中的典型砌护模式，在应用中可以结合渠道特点作必要调整，重点放在坡脚稳定方面的改进。
（3）对流量大于5 m3 /s 的骨干输水渠道，渠道输水断面首先选用弧形坡脚梯形断面或弧形底梯形断面。渠道内坡比一般采用1∶ 1．5，当地下水位较高、地质条件特殊时，内坡比宜采用1∶ 1．75 或更缓。
（4）近年来宁夏渠道砌护工程每公里造价情况见表3。
表3 骨干渠道砌护工程每公里造价
注:表中造价是按照“砌护模式1”分析的结果; 流量为1 ～ 5 m3 /s 的渠道造价为16 万～ 50 万元/km。
（5）宁夏引黄灌区骨干渠道以宽浅式断面为主，若仅仅因渠底地下水位高、出现明水，而不对渠底进行防渗砌护，将会影响渠道节水效果和灌溉水利用系数。经初步估算，每年宁夏引黄灌区因渠底不砌护而造成的渗漏水量约为2．69 亿m3。因此，渠道砌护中，应积极采取不同形式的排水措施，降低施工期渠底水位，实施渠底防渗砌护。
（6）为了减轻冻胀破坏，宁夏曾在高地下水位地区进行渠道坡面下置换非冻胀性沙砾石试验。实践表明，置换沙砾石除造价高以外，还存在以下问题: ①粒径级配难控制，含泥量达不到质量要求; ②铺设结构难以控制，回填置换中沙砾石易滑积到坡脚; ③边坡换填沙砾石后，对减小剩余冻胀量影响不明显;④渠道置换沙砾石后，边坡冻胀破坏和滑塌仍难以消除。因此，渠道坡面置换沙砾石须慎用。
（7）利用置换的砂砾石，再配上纵向排水管兼做渠底、坡脚的排水体，其在冬灌结束时零下5 ℃的寒冷期对降低地下水位、减轻砌护冻胀破坏的持续效果不明显，并且排水管2 ～ 4 a后易被泥沙堵塞。因此，砌护排水体须谨慎。
（8）有些渠底防渗膜上的覆土常常被渠水冲走，尤其在支、斗口、退水口上游和渠道转弯、节制闸、桥等流速变化处更容易发生。建议采用铺设沙砾石、混凝土板或块石，改善对防渗膜的保护作用。
5 结语
水是生命之源、生产之要、生态之基。宁夏是国家批准的唯一的省级节水型社会建设示范区，又是一个农业用水比例很高的省区，水资源短缺与利用效率低并存。为了挖掘农业用水潜力，缓解水资源供需矛盾，宁夏“十二五”期间将砌护干渠620 km、支渠270 km，灌溉水利用系数将提高到0．46 或更高。因此，今后宁夏在渠道砌护方面的设计、施工和运行管理中还需要进一步努力，通过创新不断完善砌护技术，确保灌区供水安全、生态安全。
