遼寧東部地區干渠防滲減糙工程凍脹破壞分析

孫秀艷

(東港市水利工程建設質量與安全監督站,遼寧 東港 118300)

遼寧東部地區干渠防滲減糙工程凍脹破壞分析

孫秀艷

(東港市水利工程建設質量與安全監督站,遼寧 東港 118300)

摘要：干渠是農業灌溉用水的最主要輸送通道，通過防滲、減糙工程改造可有效增加過水能力，減少滲漏損失，縮短供水時間，節省灌溉水量。在運行管理過程中，渠道存在嚴重凍融破壞等問題，本文通過對典型渠道凍融破壞原因的分析，針對性提出了多種處理措施，為北方寒區渠道防滲減糙工程設計提供技術支撐。

關鍵詞：東港灌區;防滲減糙;凍脹;對策

我國北方地區，渠道和建筑物在冬季普遍受到基土凍脹的危害。經過研究發現，引起水工建筑物發生凍脹破壞的原因是十分復雜的，凍脹破壞出現的原因不僅與當地的土質類型有關，還與當地的水質和溫度有關。由于襯砌渠道工程一般為護砌式結構，厚度較小，因而所受凍脹破壞尤為嚴重。通過改善渠道凍脹破壞的影響因素，重視施工質量、管理維修，才能達到滿意的防凍效果。

1典型防滲減糙工程概況

東港市東港灌區友誼總干渠工程始建于1975年[1]，全長36.65 km，規劃防滲減糙長度由渠首隧洞出口至倪家嶺全長17 km，目前已經完成7.4 km，改造的目的，一是由于灌區不斷發展，面積逐年擴大，原設計斷面已顯窄小，輸水能力漸低，形成了“卡脖子”工程，過去靠延長供水時間解決供水，既誤農時又浪費水量，嚴重影響灌溉質量；二是想在不增加占地面積的情況下，提高過水能力；三是該段渠道有部分渠段筑堤土質為沙壤土，透水性較強，極易脫坡，滲漏嚴重。為減少滲漏損失，增加過水能力，保持渠坡穩定和改善環境等，必須采取防滲減糙措施。

寒冷地區的渠道基土受自然氣溫影響，每年都處于凍融兩種狀態，進行渠道防滲設計時，如果僅計及基土處于融土狀態時的物理力學指標及受力和變形狀態，當基土發生凍脹時，渠道襯砌必然遭受破壞。渠道防滲體的凍脹破壞，不僅造成灌區維修管理費用的增加，甚至嚴重影響水利工程效益的發揮。為此，要使渠道襯砌長期發揮防滲效益，亟待解決凍脹破壞問題。

2設計方案的確定

原設計渠道過水流量為15 m3/s，加大流量為20 m3/s，目前僅能通過13 m3/s左右，要通過現在規劃設計29.7～23 m3/s的流量，一個做法是拓寬渠道，但要新增占地面積18.66余hm2，特別是有個別渠段一面是山，一面是公路，拓寬困難，經過多種方案對比，決定采用防滲減糙的措施[2]。其具體辦法是采取混凝土襯砌(混凝土現澆板厚度10 cm，下鋪40 cm砂礫石墊層)，將土堤糙率由0.025降低為0.017，同時將原土堤坡比1∶2改為混凝土襯砌的1∶1.5，加大過水斷面[3]，在不增加占地面積的情況下，經計算滿足灌溉所需流量。

3凍脹破壞原因分析

凍脹破壞主要是防滲渠道基層土受凍后體積膨脹，對上層混凝土造成破壞，截止目前，友誼總干渠減糙工程最長已經運行了三個冬天，主要表現為整體上抬、膨脹、裂縫、突起架空、滑塌錯位。經分析，主要是因為基土由于水溫條件不均勻而產生的不均勻凍脹，以及基土與襯砌體之間的凍結力造成的約束作用所引起的膨脹，由于建設時與混凝土襯砌板結合緊密，體積膨脹后直接頂起混凝土板，致使混凝土板表面產生整體上抬、膨脹、裂縫、突起架空、滑塌錯位。凍脹破壞形式見圖1。

(a)

(b)圖1　凍脹破壞現場圖

4凍脹破壞處理方案設計

4.1砂礫料換填措施

在混凝土面板下部，將強凍脹地基土換填成非凍脹性砂礫，其換填深度在設計中采用了陜西水科所公式進行計算。

(1)

式中：e為換填土層的厚度，cm；h為最大凍結深度，cm；δ為襯砌厚度，cm。

關于換填深度：日本規定為最大凍深的80%，瑞典規定在凍深小于90 cm時，全部換填，中國則一般為最大凍深的50%～80%。東港地區最低月平均溫度-8.6 ℃，極端最低溫度-28.3 ℃，屬寒冷地區，實測最大凍深為0.87 m，設計采用了最小換填深度，即40 cm。第一年秋后施工，僅完成底板澆筑，未采取任何防凍措施，春天發現底板普遍上抬達5～10 cm，并有局部斷裂現象。以廣勝跌水為界，分為上、下兩段，廣勝跌水以上多為挖方或半填半挖渠道，比降為1/3000～1/8000，為灌排兩用渠道，冬季地下水補給充分，滲流不斷；廣勝跌水以下多為填方渠道，比降為1/12 000，地下水位與地表比降一致，且地下水位較高呈飽和水狀態。設計沒有考慮排水措施，實際上欲將地下水位排到換填面以下幾乎是不可能的，在水分不能盡快排除的情況下，砂礫石層內的水分凍結時，仍將產生較大的膨脹，并對基礎產生上抬作用，采取強排措施，費用高，不可取，即在飽和水地基上采取的換填措施將會失去效果。施工中有相當一部分換填體是在水中作業的，水下基土呈流塑態，在換填過程中，完全有可能出現基土中的細粒土充滿換填體的孔隙，使換填體喪失了部分或全部削弱凍脹的作用。

因換填體包圍在細粒土之中，設計中沒有采取隔絕措施，受滲流作用細粒土慢慢的侵入也完全有可能污染換填體，運行久了，換填體也將失去作用[4]。至于局部護砌板塊斷裂原因是多方面的，如土質的不同，凍結條件不同，換填體不符合技術要求，粉粘粒超標等，產生了凍脹的不均勻性。換填深度取下限是偏于不安全的，設計者應根據當地的氣候條件、地質條件、土質條件等因素因地制宜確定換填深度。根據“凍土”理論，建議采用e=(0.7～1.0)(H-δ)公式計算換填深度e[5]。換填深度要根據當地凍深、凍脹條件，特別是土壤水分條件而定，一般情況下，在地下水位較低時取小值，地下水位較高時，換填深度應達到全部凍深。應該指出的是，由于砂礫料的凍結深度，在相同的條件下，要比細粒土的凍深大，所以，換填以后的凍深都要增加，因此，換填深度還應考慮換填砂礫石對實際凍深的影響。

4.2取水保溫措施

已建的渠道襯砌，冬季地下水位偏高，渠底部位的襯砌事實上為飽和狀態地基，凍脹量達5～10 cm。為不使其遭到凍脹破壞，采用了取水保溫措施，使渠底混凝土板得到了保護，但也由于渠內存水并結成較厚的冰層，冰面附近渠坡含水量較高，凍脹過程中，水分補給充分，凍脹量較大，但混凝土襯砌板的凍脹上抬受到冰層一側的限制，因而可能在冰緣線處，受彎出現裂縫或折斷，設計中在該部位配了筋，起到了抑制斷裂作用。同時，也由于渠頂凍脹量小，在距冰面以上1～1.5 m左右的坡長處(特別是背陰面)出現襯砌混凝土隆起，春季通凍后，不能回落到原高程，在逐年反復凍脹作用下，將會產生上部板塊順坡向下滑移，出現錯位，迭疊乃至遭到破壞。因此在水位變化區混凝土板下采取換填和埋設聚苯乙烯保溫板的綜合措施，即在水位變化區混凝土板下首先鋪20 cm粗砂，上鋪6～8 cm的聚苯乙烯保溫板，其上再澆筑護面混凝土，可避免上述凍害。

4.3渠床、渠底土壓實措施

用壓實法或強夯法提高渠道土密度以降低凍脹量的方法是最簡單易行的措施，壓實可使土的干密度增加、孔隙率降低、透水性減弱、凍脹變形減小[6]。渠床、渠底基土壓實處理時，先清除淤泥雜草，然后再進行碾壓；翻松土壓實，還需視土料含水情況，如必須進行扒松晾干，使其接近最優含水量。每次碾壓的厚度需根據碾壓機械的壓實功能和土料性質確定，一般不宜過厚。為確保工程質量，應隨時抽取碾壓土樣，現場測定干容重。

5結論

渠道防凍脹破壞工程設計施工中應注意以下幾點。一是嚴格控制地下水位，地下水位必須低于砂礫換填面，并保持干爽狀態。二是換填砂礫料的鋪筑，渠底最好用壓道機壓實找平，嚴格控制密實度，坡面可采用平板振搗器振動壓實。三是優先使用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，選用質地堅硬，無風化的砂石骨料，東港地區以無風化的花崗巖碎石為好。精心設計試驗選擇配合比，嚴格控制水灰比，適當提高混凝土強度標號，提高凍融強度，由于渠道護面工程一般戰線較長，必須設專人嚴格控制。四是當混凝土終凝以后必須加強養生，保持混凝土的濕潤狀態，至少需養生14 d以上。五是嚴格控制工程尺寸，保證完美形象。

參考文獻：

[1]賀啟有，許聰，李瑞濤，等.東港灌區續建配套與節水改造第十期工程[R].丹東：丹東市水利勘測設計研究院，2013.

[2]國家質量技術監督局，中華人民共和國建設部.灌溉與排水工程設計規范：GB 50288-99[S].北京：中國計劃出版社，1999

[3]中華人民共和國水利部.灌溉與排水渠系建筑物設計規范：SL 482-2011[S].北京：中國水利水電出版社出版,2011.

[4]中華人民共和國水利部.渠系工程抗凍脹設計規范：SL 23-2006[S].北京：中國水利水電出版社出版,2006.

[5]中華人民共和國水利部.水工建筑物抗冰凍設計規范：SL 211-2006[S].北京：中國水利水電出版社出版,2006.

[6]中華人民共和國水利部.渠道防滲工程技術規范：SL 18-2004[S].北京：中國水利水電出版社出版，2004.

作者簡介：孫秀艷(1969-)，女，工程師，主要從事工程設計 、工程管理、大型灌區改造設計、質量監督等工作。

中圖分類號：TV698.2

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)06-0066-03