引水干渠襯砌結構凍脹破壞分析及防凍脹設計

張曄

摘要：渠道作為水利工程的基礎設施之一，隨著使用年限的增長，可能因凍脹破壞出現滲水現象。以新疆西泉水庫引水干渠為實例，介紹了渠道襯砌結構凍脹破壞的影響因素，包括土基質、水分、地下水水位等，并根據渠道襯砌結構凍脹破壞特點，采取聚合物柔性增強涂層防凍脹措施，取得了良好防凍脹效果，可為類似工程防凍脹設計提供技術參考。

關鍵詞：凍脹破壞;防凍脹設計;襯砌結構;引水干渠

中圖法分類號：TV67

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.007

我國新疆維吾爾族自治區地廣人稀，第一產業在地區經濟中所占比重較大，因此建設規模化、集約化農場和灌區成為當地農業發展方向。引水渠道是農場和灌區的重要基礎設施，但受制于施工技術且缺乏日常管理，渠道滲漏已經成為新疆很多老舊灌溉系統面臨的主要問題，究其原因主要是凍脹破壞，因此必須要做好渠道防凍脹設計。

1 工程概況

西泉水庫是新疆阜康市土墩子農場主要的灌溉水源，控制灌溉面積達3 670 hm2，占農場總面積的86%。西泉水庫于20世紀80年代建成并投入使用，目前已運行40 a。水庫原設計總庫容約為150萬m3，現降至110萬m3。西泉水庫至土墩子農場的引水干渠總長約18.4 km，據統計，引水干渠單位時間的滲漏量約達到總灌溉用水的18%，大部分為凍脹裂縫滲漏，水資源浪費嚴重。經實地調查，需對長5.75 km的引水干渠進行防滲改建，渠道設計流量5.0m3/s，工程級別為5級。

2 干渠襯砌凍脹影響因素分析

經過眾多學者研究，影響渠道襯砌凍脹破壞程度的主要因素有土基質、水分、地下水水位等，本文對各因素進行分析說明。

2.1 土基質影響分析

（1）土基質的分散性。土的分散性主要指粒徑和級配，兩者直接關系到毛細力，對水分遷移影響較大，進而影響地基凍脹性[1]。圖1為不同土基粒徑下凍脹強度和水分遷移聚集的變化曲線。由圖可知：①粒徑由0.1 mm降至0.005 mm時，土基凍脹強度和水分遷移聚集程度急劇上升并達到最大值;②粒徑由0.005 mm降至0.001 mm時，土基凍脹強度和水分遷移聚集程度又急劇下降[2]。因此得出粒徑尺寸在0.01～0.005 mm范圍內，土基的凍脹性最強，水分子遷移聚集程度也最大。經勘察，西泉水庫引水干渠土基由級配不良（良好）礫、砂礫石構成，粒徑范圍在0.01～0.005 mm之間的礫、砂礫石重量超過總土重的10%，即可斷定為凍脹性土基，土基的分散性是土墩子農場引水干渠凍脹破壞最主要的原因。

（2）黏性土礦物組成。Ca2+、Na+是土壤中含量最高的礦物成分，因此鹽漬土和非鹽漬土的凍脹量也會出現差別[3]。研究人員從土墩子農場引水干渠基土中選取樣土，將同一地段的樣土分為兩組：一組是天然樣品（編號01和02），另一組是對應的經洗鹽處理后樣品（編號01’和02’），兩組樣品凍脹結果見表1。樣品土經洗鹽處理后，其凍脹量顯著提高，幅度超過120%。通過更細致地研究發現，Na+可有效阻止水分子遷移，降低土體凍脹量。土墩子農場引水干渠基土中Na+較多，所以對凍脹性影響較小，可以忽略不計。

2.2 水分條件影響

利用式（1）計算了項目區10種基土的臨界含水量，估算偏差和試驗結果偏差均能控制在2.0%以內，說明公式準確度很高。經現場測量，冬季項目區渠道基土含水量較大，極易引起地基凍脹破壞（凍脹破壞含水量臨界值為25%），因此地基含水量是造成土墩子農場引水干渠凍脹破壞的重要因素之一。

2.3 地下水位影響分析

地下水是土體凍脹自由水的重要補充來源，通過分析地下水埋深Hw和土體凍脹率η的關系，繪制出圖2的擬合曲線，由圖可知：①當地下水埋深由0 mm下降至50 mm時，土體凍脹率由30%急劇下降至10%;②隨著地下水埋深的進一步下降，土體凍脹率由8%逐漸下降至4%左右，并逐步穩定[5] 。

西泉水庫引水干渠沿線地下水埋深一般在300 mm以下，因此地下水對土墩子農場引水干渠地基凍脹量影響較小，在此不作考慮。

2.4 梯形渠道凍脹力學模型分析

土墩子農場干渠橫斷面為梯形，底邊長度100 cm，上邊長度380 cm，深度110 cm，邊坡比為1：1.5。由經驗可知，梯形渠道坡腳處和渠底襯砌受土體凍脹影響最大。實地勘察也發現土墩子農場引水干渠裂縫部位大多位于渠道底部，因此可判斷其破壞形式如圖3所示[6]。

由于陰面和陽面區別很大，因此渠底面會受力不均，可將其受力結構簡化為簡支梁，其支座反力由坡板反力RA、RA'及軸向推力N、N'合力求出（見圖4）。有研究表明，渠道彎矩最大處位于渠底中部略微靠近陰坡部位;剪切力最大處位于渠坡中間偏下部位，靠近渠底的1/3處[7]。

3 干渠襯砌防凍脹防滲結構層設計分析

3.1 防凍脹防滲方案選擇

經過現場分析，結合渠道凍脹破壞特點，該項目中渠道可采取的防凍脹及防滲結構層有兩種：瀝青混凝土和聚合物柔性增強涂層。

（1）瀝青混凝土結構層。該結構層是在穩定平整的渠基上用瀝青混凝土代替普通混凝土進行襯砌施工，整個結構由外到里依次為封閉層、瀝青混凝土層和土（石）渠基[8]。

（2）聚合物柔性增強涂層。該結構層是在渠道開挖面的基礎上，鋪設80～100 mm的干硬性砂漿層，碾壓平整后，再鋪設一層具有良好彈性和強度的聚合物柔性增強涂層。該涂層可適應凍脹變形且基底結構防滲功能不變。該項目設計使用的涂層防水涂料以丙烯酸為主要原料，主要參數性能見表2[9]。

經對比分析，聚合物柔性增強涂層施工簡單，成本較低，且集防凍脹和防滲為一體;對比水泥類材料，其延伸性、耐久性、柔韌性均有很大提升，因此西泉水庫引水干渠防凍脹防滲結構層選用聚合物柔性增強涂層方案。

3.2 聚合物柔性增強涂層設計

（1）干硬性砂漿層設計。干硬性砂漿層在此充當的是過渡層，設計陽面厚80 mm，陰面厚100 mm，材料配比為水泥：砂子：水=1：6：1，鋪設完成后碾壓平整，密實率應大于95%。

（2）聚合物柔性增強涂層設計。干硬性砂漿層施工完成后，在其上噴撒一層厚度為1.0～1.5 mm的聚合物柔性增強涂層（見圖5）。聚合物柔性增強涂層結構雖然未能有效降低渠道襯砌結構的凍脹量變化，但可以保證不會產生凍脹裂縫，進而保證渠道防滲性能。

4 結語

經干渠襯砌凍脹影響因素分析，得出造成西泉水庫引水干渠凍脹破壞的主要原因為土基分散性和地基含水量。同時，渠道受力模型也反映出最易產生凍脹破壞部位是渠道底部及渠坡中間偏下。通過對比，確定引水干渠防凍脹防滲方案為聚合物柔性增強涂層。該水庫引水干渠部分段經聚合物柔性增強涂層處理后，徹底解決了渠道滲漏問題。經3a運行，渠道襯砌面未發現貫穿裂縫及脫皮現象，日常保養僅在涂層薄弱部位補刷即可。

參考文獻：

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