喀什噶爾河灌區干渠改造防凍脹技術分析

努爾依力·麥麥提

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700）

大型灌區建設是農業生產實現現代化、機械化、集約化的重要途徑，尤其是針對新疆、甘肅、青海等水資源嚴重缺乏的西北內陸地區，發展大型灌區對于減少農業灌溉用水作用明顯。渠道是灌區建設的基礎，而新疆自治區冬季寒冷，夏季炎熱，白天黑夜溫差較大，凍脹土普遍存在。因此在渠道設計時必須考慮防凍脹措施，否則渠道壽命和防滲性會大大降低。

1 工程概況

喀什噶爾河位于塔里木盆地西部，是一條內流河，全長1200 km，平均寬度40 m。喀什噶爾河灌區建設于上世紀70年代，控制面積約6.4萬畝，屬于中型灌區。灌區渠道網絡大致組成為1條干渠、5條支渠。經過近50年運行，目前干渠受凍脹破壞嚴重，防滲性較差，造成大量水資源浪費（見圖1），必須進行防凍脹設計。本次改建干渠總長約11.3 km，設計流量1.7 m3/s～3.9 m3/s。

圖1 喀什噶爾河灌區干渠凍脹破壞實景

2 渠道凍脹破壞影響因素分析

經過統計調查：新疆地區很多灌區干渠存在凍脹破壞現象。輕則導致襯砌出現裂縫、滲水；重則出現襯砌變形、斷裂、垮塌等，嚴重影響渠道輸水，且維護費用居高不下[1]。

（1）渠基土質影響

渠基土質對凍脹量有著直接影響，主要涉及到的參數有粒度組成、礦物成分、土體密度等。①一般情況下，粒度越小，單位體積土體表面積越大，會吸附更多水分，導致凍脹量越大；②礦物成分不同會造成土體導熱系數有差別，導熱系數越大，受外界環境影響越大，進而凍脹破壞就越嚴重；③凍脹破壞程度隨著土體密度的增加呈現先增后減的趨勢。

（2）水分影響

水分是渠基土發生凍脹破壞的基礎，凍脹量和水分也呈正向相關性。當渠基土含水量低于某一數值時，凍脹破壞程度就會很低，不會對渠道造成影響，而其決定因素就是地下水埋深H。新疆地區地下水埋深H與各類型地基土凍脹率η關系如下[2]：

壤土：η＝60.5e-0.11146H

（3）溫度影響

溫度是渠基土發生凍脹的另一個必備因素，經研究表明：氣溫下降速度對凍脹程度有著很大影響。①當氣溫急劇下降至較低值時，土體中的水分來不及作遷移運動便凍結，此時土體凍脹變形量較小；②當氣溫緩慢下降時，土體中水分凍結速率較小，存在大量周邊水分遷移至凍結區域現象，造成凍脹量急劇增大。兩者凍脹量相差10%～20%（見圖 2）[3]。

圖2 氣溫下降速度和渠基土凍脹量關系曲線

（4）渠道自身影響

渠道自身影響因素包括：走向和斷面結構形式。渠道走向對接受光照最為明顯，研究表明：南北走向渠道，由于各斷面渠基土溫度、水分等相似，其凍脹破壞程度也基本一致；東西走向渠道，陰坡面凍脹量明顯大于陽坡面[4]。

目前渠道主要的斷面結構形式包括：矩形斷面、梯形斷面、U型斷面。結構的不同直接影響著內部應力的分布形式。其中弧形底板的反拱作用顯著，能對抗較大外力，屬于最優斷面形式。

3 干渠最佳斷面參數的確定

（1）受凍脹力學模型建立分析

根據凍脹破壞影響因素，喀什噶爾河灌區干渠設計采用“U型渠道”。利用結構力學知識建立渠道混凝土襯砌凍脹破壞力學模型（見圖 3）[5]。

由圖3可知：弧形渠底襯砌結構整體性較強，其法向凍脹力和切向凍脹力所產生的彎矩方向相反，能夠相互抵消一部分，會大大減小控制彎矩值。且坡板和底板之間內力相互影響，提高了整體的抗凍脹能力。

圖3 U型渠道混凝土襯砌凍脹力分布模型（左：法向；右：切向）

（2）最佳斷面確定

通過計算分析U型渠道斷面結構圖（見圖4），以及水力條件和襯砌結構的凍脹受力，得出在相同襯砌厚度下，當α＝69°、n＝0.4時，渠道襯砌結構彎矩分布最均勻（L：坡面長度；R：弧底半徑；2α：弧底對應的圓心角）[6]。

圖4 U型渠道斷面參數結構圖

4 渠道防凍脹設計

喀什噶爾河灌區屬于典型的大陸性氣候，干旱少雨、蒸發強烈，且冬灌停水時間較晚，地下水水位較高，造成凍脹破壞普遍嚴重。為徹底解決灌區干渠的凍脹破壞問題，本項目設計采用置換墊層法。

（1）最大設計凍深

渠基土最大凍深Zd是防凍脹設計的最基本參數，相關計算公式如下，經計算得到喀什噶爾河灌區渠基土最大設計凍深Zd＝2.0 m。

式中，ψd為日照和遮陰程度凍深修正系數；ψw為地下水影響系數；Zm為近10年地基土最大凍深，取值1.38 m；α為氣候區系數，陰面：-1.36，陽面：2.72；渠底：0.32；ψi為日照和遮陰程度修正系數，取值1.12。

（2）置換材料及深度

①置換材料

本項目可選擇置換材料包括：砂礫石墊層和聚苯乙烯泡沫塑料板，兩種置換材料優缺點見表1。考慮到灌區干渠對使用壽命和耐久性要求較高，因此本項目確定采用砂礫石墊層作為置換材料。

表1 置換材料方案比選

②置換深度

渠基土置換深度Ze計算公式如下，根據本項目允許最大法向位移量為0.5 cm～1.0 cm，確定本項目置換深度如下：1）東西走向渠道陽坡置換深度30 cm～60 cm，陰坡40 cm～60 cm；2）南北走向陰坡、陽坡置換深度均為30 cm～60 cm。

式中，ε為置換比，取值0.15～0.3；δ0為襯砌板厚度，取值6.0cm。

（3）渠道襯砌方案比選設計

根據相關規范可知4級及以上渠道襯砌結構厚度為：現澆筑（無鋼筋）6 cm～12 cm；預制鋪砌5 cm～10 cm。結合當地工程經驗，本項目渠道襯砌方案可選：現澆筑襯砌10 cm和預制砼板襯砌6 m。兩方案優缺點對比見表2。

表2 渠道襯砌方案優缺點對比

方案一：現澆筑C20襯砌

該方案渠道具體結構：兩側邊坡設置砂礫石墊層30 cm，渠底設置砂礫石墊層60 cm；邊坡和渠底現澆筑襯砌層均設計為 10 cm（見圖 5）。

圖5 現澆筑C20襯砌結構斷面圖

方案二：預制C20砼板襯砌

該方案渠道具體結構：兩側邊坡設置砂礫石墊層30 cm，渠底設置砂礫石墊層60 cm；邊坡和渠底預制C20砼板襯砌均設計為10 cm（見圖6）。

圖6 預制C20砼板襯砌結構斷面圖

綜合考慮本項目地段地形復雜，干渠改造時用水困難，且為不影響農業灌溉，對施工工期要求較高，因此最終確定采用預制C20砼板襯砌方案。

5 結語

渠道防凍脹破壞設計是西北內陸地區灌區建設必須要考慮的問題之一，喀什噶爾河灌區干渠改造總體按照“砂礫石墊層＋混凝土襯砌”形式，經過一年使用，干渠沒有出現任何凍脹裂縫、坍塌等破壞，防滲性、輸水量等參數均滿足設計要求，干渠改造效果顯著。