渠道砼板砌護凍脹分析與“U”型斷面砌護技術

馬金萍+孫升

摘 要：該文就渠道砌護現狀及各類砌護類型凍脹狀況展開分析，進行渠道凍脹特點及具體形式的深入性闡述，實現了不同種防凍脹措施的制定，進行了不同渠道襯砌方案抗凍脹性的綜合性分析。

關鍵詞：渠道凍脹；“U“型斷面；砌護技術；水利建設

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.087

1 工程狀況

某市沙坡頭區引黃灌區屬于大陸性氣候，其蒸發狀況比較強烈，屬于溫帶大陸性氣候，灌區平均降雨量在178. 5毫米以下，主要集中于7月份至9月份，蒸發量大約為1900毫米。該市沙坡頭區引黃灌區分為南北兩個灌區，其中有一條干渠、七條支渠，全長大約為168公立，引水流量為每秒60立方米，控制灌溉面積約為2.7萬公頃，年引水總量越為7.1億立方米。南北灌區共有排水干溝九條，全長大約為171公里，排水流量為每秒32立方米，年排水總量為1.7億立方米，其水利設施比較完善，形成了比較健全的灌排體系。

2 凍脹破壞的形式和特點

該市沙坡頭區引黃灌區大約有支斗渠1161公里，采用塑料薄膜、混凝土板、砌石防滲砌護長約69公里，襯砌破壞長度約為80公里，斗渠襯砌破壞比支渠嚴重。在渠道襯砌破壞中，水力破壞占到15%，施工質量問題占到25%左右，大部分的襯砌破壞狀況均由凍脹破壞造成。

2.1 渠道凍脹破壞類型

渠道凍脹破壞主要分為以下幾個類型，根據破壞程度分類主要有凍脹開裂復原型，襯砌面開裂后其表面尚平，裂縫兩邊襯砌體不錯位，縫寬在1厘米以下，凍土消融后部分閉合。凍脹隆起滑塌型主要是渠道坡角處襯砌體受到破壞。凍脹破壞是一個由輕到重的過程，首先是凍脹開裂，導致渠道變位隆起至滑塌，滑塌狀況主要出現在春季消融階段，渠坡最下面三塊預制板處的渠底是支渠凍脹破壞最為嚴重的部位。坡角及上下兩板接縫處是斗渠凍脹破壞嚴重的部位。襯砌體結構凍脹破壞型主要是襯砌板體本身受到凍融破壞的影響，板體表面水泥脫落，缺乏足夠的硅強度。

在凍脹破壞程度較輕時，需要及時開展維修，如果凍脹隆起的部位不能恢復到原狀，冬季來臨時，其原先已凍脹隆起的基土會出現凍脹變形狀況，凍脹隆起的土體內存在大量的冰夾層。渠道變形時的襯砌體容易受到行水時的破壞，不利于提升渠道的整體質量。

2.2 凍脹破壞特點

粉質壤土是該渠道的基土，部分渠段為粘土及粉沙土，屬于強凍脹類基土，陰坡一般比陽坡凍害嚴重，渠坡下部一般比渠坡上部重，渠道凍脹存在不均勻性的特點。基土凍脹問題導致渠道襯砌凍脹破壞問題。在凍脹過程中，渠底斷面線不斷抬高，坡腳及坡頂逐漸減小，導致渠道基土斷面出現變形狀況，由于襯砌質量較差，結構內部出現較大的凍脹狀況，導致渠道結構的破壞。

受到凍脹因素的影響，基土水分出現遷移狀況，這與基土含水量、基土凍結強度等密切相關。土壤毛管力水平、基土顆粒狀況決定基土水分在凍結過程中的遷移大小。基土含水水平、基土特性、周邊環境氣溫等都是導致渠道凍脹破壞的重要原因。

受到不均勻凍脹變形的影響，渠道基土出現斷面，這受到不同基土層含水量、地溫狀況等的影響。基土土顆粒本身并不存在凍脹狀況，凍脹是土壤中液態水的固態化狀況，這與溫度因素密切相關。相比于渠底排水環境，渠坡的排水性更好，其土壤原含水量較小，渠坡距離地下水位較遠，在土壤凍結過程中，地下水遷移補給量較小，遷移水沒有達到渠坡某層部位時被凍結。如果渠道的排水條件較差，其土壤中原含水量較大，也會導致挖方渠底土壤水分的飽滿，土壤在凍結過程中也受到地下水遷移補給的影響。渠道基土的凍脹量從渠底到坡頂不斷減小，凍脹量與渠道朝向密切相關。

由于該市灌區冬灌停水較晚，渠道基土內的含水量基本達到飽和。在渠道停水前后，其平均氣溫大約在0℃左右，土體內的水份并沒有充分的下滲遷移，基土表面已經開始凍結。初凍時土壤內的含水量稱之為起始凍結含水量，土體的凍脹狀況受到土壤凍結含水量的直接影響。等到開春氣溫回升，土壤凍層開始熔化，凍層的中部融化比較緩慢，在解凍初期，容易出現滯水狀況，從而導致基土表面的返潮流，有的地面會出現泛水現象。在這個過程中，基土的表面非常滑，受到重力作用的影響，因凍脹隆起的襯砌體在渠道坡面上出現下滑狀況，從而導致流土破壞及滑坡問題的出現。

3 渠道襯砌防凍脹策略

為了提升渠道襯砌工程的整體工作效益，必須進行防凍脹方案的優化，這需要遵循因地制宜的原則，實現工程管理方案的優化。

3.1 回避法

在渠道襯砌規劃設計過程中，為了提升渠道襯砌工作效益，需要避免出現較大凍脹量的土壤水分地區，這需要進行回避法的應用，回避法比較適合于新設計的渠道。在新建渠道過程中，在環境條件的允許下，可以進行回避法的使用，進行多條渠道線路的設計，進行不同線路的綜合性的比較及分析。

3.2 渠床處理法

當渠道襯砌結構允許凍脹變位小于渠道最大凍脹量時，需要根據渠道不同部位凍脹狀況及凍層中層次凍脹分布狀況，進行合適的渠床處理方法的選擇，將渠床基土的最大凍脹量削減到合適的凍脹變形位值范圍內。這需要進行渠床處理方法的優化，實現墊層法、基土處理法的協調。當渠床基土為強凍脹土時，可以進行弱凍脹土的換填，也可以在原渠床基土中混入麥草。渠道旁種樹方法是一種良好的工程輔助方法，可以起到生物排水的作用。在渠拜頂上植樹，樹根可在硅板下部形成根須層，提升了基土的密實性及抗剪強度，有利于提升渠基的牢固性及穩定性。在這個過程中，要保持樹木與渠道襯砌體的合適距離，一般間隔50厘米左右。通過對隔水法的應用，可以隔斷地下水對凍層的補給，可以減少渠床的凍脹變位狀況。

3.3 適應法

通過對較強的凍脹性適應性的材料及襯砌結構的使用，可以有效提升渠道結構的抗凍脹性，比較常見的斷面類型包括弧形斷面、寬淺式“U"型等，這兩類斷面的凍脹變形比較均勻。渠道砌護過程中，比較常見的抗凍性較強的材料包括塑膜等。endprint

3.4 運行管理及施工管理

在渠道砌護工作中，冬灌越遲，襯砌凍脹破壞狀況越嚴重。因此需要進行冬灌時間的提前，避免回歸水補給渠床，做好渠頂防護工作，將灌耕地集中于支斗渠上，避免坡面水滲入到襯砌面下。為了滿足實際工作要求，相關渠道襯砌部門需要提升施工管理及監督力度。硅是該市沙坡頭區的主要襯砌渠道材料，在硅制作過程中，需要優化骨料及水泥配合比方案，滿足工程施工的要求，進行養護期的控制，選擇干硬性的硅材料。

4 不同渠道襯砌方案的抗凍脹性分析

在硅板弧形斷面處理過程中，渠道斷面進行了弧形斷面的應用，泡沫塑料是硅下的隔熱保溫層。整體來看，渠道地溫較高，凍脹不均勻系數、凍脹量比較小，凍深比較小，抗凍性能比較好。在硅體“U"形斷面處理過程中，在相同地溫、凍深等條件下，其凍脹變形比較小，凍脹不均勻系數及剩余凍脹變形值比較小，整體呈現出較好的受力狀況。但其直立面與弧形斷面的交界處產生了縱向裂縫，為了解決實際問題，需要將直立面變為斜坡，呈現寬淺式弧形的斷面狀況，相比于原“U"型斷面砌護模式，其抗凍性及穩定性更好。

在“U”型硅板襯砌工作中，渠床進行了草土換填模式的應用，在渠坡斜立兩塊平面板，在渠底橫斷面鋪設三塊平底曲面板。為了提升渠道襯砌工作的防滲性及抗凍性，必須進行適當方案的選擇，這需要結合具體工程地質環境狀況，進行就地取材、因地制宜原則的應用，在該市沙坡頭區渠道砌護工作中，可以利用該地麥草豐富、風積沙等環境特點，進行渠床的處理，進行“U"型寬淺式斷面砌護模式的優化，增強渠道砌護工程的整體效益。

在渠道設計工作中，需要盡可能的避開強凍區，盡可能避免使用抵抗性措施，比如增加鋼筋及板厚，需要充分遵循經濟合理性原則，進行綜合性設計理念的應用，做好渠道基土的處理工作，遵循就地處理的工作原則，進行整體性較強的斷面結構模式的應用，適應工程抗凍脹性的要求，實現不同施工步驟的協調。

5 關于襯砌幾個注意的問題

在襯砌過程中，需要注重襯砌渠道的順序，干渠的行水時間最長，其次是支渠、斗渠、農渠。整體來看，渠道的襯砌工程運行時間越長，其取得的效益越大。在一定施工條件下，需要對高一級的渠道進行襯砌，然后進行低一級渠道的襯砌。

在一定基土凍脹環境下，襯砌板尺寸與凍脹變形狀況存在密切的聯系。板與板之間容易出現凍脹裂縫狀況，在預制硅板襯砌過程中，需要利用瀝清硅做好接縫處的處理工作，進行襯砌板厚度的控制，實踐證明，盲目的增大板厚并不能有效解決凍脹問題，需要根據實際渠道狀況，進行襯砌板厚度及尺寸的選擇。

6 結語

實踐證明，通過對“U"型斷面襯砌技術的應用，有利于提升支斗渠砌護的抗凍脹性，滿足了現階段渠道砼板砌護工作的要求。

參考文獻：

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