不同斷面類型混凝土墊層渠道抗凍脹設計優化研究

肖 讓，陳海龍，張永玲,何文博，尚 璐

(1.河西學院土木工程學院；2.河西走廊水資源保護利用研究所；3.甘州區水利工程隊，甘肅 張掖 734000)

為解決水資源不足和浪費等嚴重問題，渠道抗凍脹優化設計能提高輸水效率，減少滲透水量。張掖市現有的灌溉渠道，在輸水過程中，由于渠道遭受凍脹破壞而產生裂縫，導致灌溉用水滲漏到渠底土壤，造成水量損失，灌溉用水沒有被充分利用。由此可見，渠道抗凍脹優化設計研究的重要性[1- 2]。

1 灌區概況

張掖市甘州區大滿灌區干渠全長41.83km，支渠與分支渠總長131.04km，斗渠全長109.3km。大滿灌區位于甘州區西部，氣候寒冷，為典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，多年平均氣溫在7℃左右，溫差最高可達31℃，每年11月中旬開始封凍，次年3月完成解凍，凍結期約4個月，凍土深度達到109～123cm，夏季炎熱濕潤，降雨主要集中在6—9月之間。張掖地區全年降雨量較少，但是蒸發量較大，且張掖地區風向大多為西北風向。

2 凍脹破壞相關參數分析

通過對張掖市甘州區大滿灌區渠道實地勘察，收集到渠道所處的地理位置條件及渠基地基土物理性質，對不同斷面類型渠道凍脹變形程度進行調查得出影響渠道凍脹的主要因素有：土壤水分、氣候條件、混凝土特性、渠基土的物理性質。分析可得出這些影響因素對渠道凍脹的具體影響。

2.1 土壤水分

土壤水主要由結合水和自由水組成，而自由水分成毛管水和重力水，渠道發生凍脹破壞是自由水引起的。在冬季氣溫降低，灌區的混凝土墊層下方土體溫度下降到0℃以下，土中的水分凝結成冰，造成了渠道的凍脹破壞，且不同深度的土層含水率不一樣，故而，渠基內水分含量對渠道凍脹有很大的影響[3]。通過選擇張掖市干渠某50 m凍脹明顯的渠段作研究對象，使用土鉆法和烘干法測定土壤含水率，通過觀測和參考文獻資料可知，渠基土壤含水率跟土層深度成正相關，即隨著土層深度的增加渠基含水率不斷增加，0℃時渠底土層結冰，渠道發生凍脹。開春時張掖市灌區溫度上升，凍土層的冰融化，含水率增大，渠道變形，使渠基部分隆起，造成混凝土破壞，使渠道內水量下滲損失[4]。

2.2 氣候條件

張掖市深居內陸，距離海洋較遠，冬夏季時間較長，春秋季時間較短，氣溫在11月到來年3月之間較低，相對濕度較大，易造成渠道混凝土凍脹破壞[5]。

2.3 混凝土特性

因為冬季凍融的影響，防滲渠道出現強度降低、滲透性增大等變化。凍融作用于混凝土使表面剝落，嚴重時可能露出石子。當外界溫度較低時，混凝土受到凍融作用，表層產生細小的裂縫，剛開始這些裂縫不會影響渠道輸水，但是凍融一次又一次的作用于混凝土表層時，會使細小的裂縫不斷開裂變大，開始影響渠道輸水，造成水量損失[6- 8]。凍融破壞不僅引起混凝土表面剝落，而且導致混凝土力學性能的顯著降低[9]。冬季凍融降低了防滲渠道混凝土的抗壓強度和防滲能力，氣溫在0℃以下時，混凝土中的游離水結冰，在混凝土內部膨脹，對內部結構產生較大應力，溫度高于0℃時，結冰的游離水會融化，降低混凝土內部應力，膨脹作用會消失，在頻繁的作用下，造成混凝土疲勞，易造成破壞[10- 12]。凍融作用增大了混凝土內部的孔隙導致防滲性能的降低，張掖市甘州區渠道凍融現象尤為顯著。項目組利用HT- 225型混凝土回彈儀(沖擊能量2.207J)按照JGJ/T23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》，于2018年2月對試驗段混凝土進行了測定，測得張掖市甘州區大滿灌區的渠道混凝土強度變化，見表1。

2.4 渠基土的物理性質

土壤包括凍脹性土和非凍脹性土，而大滿干渠渠床地基土為低液限粉土，屬于凍脹性土，工程地質條件較差[13]。因顆粒大小不同，吸收水分的能力不同，吸水能力與凍脹能力成正比，顆粒間級配與凍脹力成反比[14- 15]。滲透能力較高，渠道發生凍脹破壞后，損失的水量較大，其物理性質試驗結果見表2。

3 優化設計方案

建議對原渠道拆除重新襯砌，橫斷面形式采用弧形底梯形斷面，襯砌材料根據改建渠道的地形、地質、運行條件及當地建筑材料儲量綜合分析，選擇大柏支渠橫斷面為典型斷面，采用以下三種襯砌方案進行比較，三種優化設計方案設計示意圖如圖1所示。

方案一：采用弧形底梯形斷面，底弧半徑0.7m，邊坡比1∶1，渠深0.8m，渠口寬2.18m。全斷面現澆C20砼襯砌，渠底12cm，渠坡底部厚12cm、頂部厚10cm。砂礫石墊層底厚80cm，陰坡厚60～80cm，陽坡厚40～60cm。其優點是防滲效果好，抗凍脹、抗沖刷效果較好，結構整體性強，施工工序少，耗用勞動力少，造價低，使用壽命長，施工方法已經很成熟，并取得了豐富的施工經驗。單位投資小，單位投資為397.4元/m。

方案二：采用弧形底梯形斷面，底弧半徑0.7m，邊坡比1∶1，渠深0.8m，渠口寬2.18m。渠底C20現澆砼襯砌，渠坡采用C20砼預制件襯砌，預制件下面鋪設土工膜防滲，渠底厚12cm，渠坡厚8cm。砂礫石墊層底厚80cm，陰坡厚60～80cm，陽坡厚40～60cm。其優點是工程防滲效果好，抗凍脹效果好，凍脹破壞便于維修；缺點是施工工序多，施工工藝復雜，質量不易控制。整體性差，運行過程中易發生破壞。單位投資最大。單位投資為420.9元/m。

表1 回彈法檢測混凝土抗壓強度原始記錄和計算結果 單位：MPa

表2 渠床地基土物理性質試驗成果匯總表

圖1 大柏支渠橫斷面三種優化設計方案示意圖

方案三：采用弧形底梯形斷面，底弧半徑0.7m，邊坡比1∶1，渠深0.8m，渠口寬2.18m。弧形底與邊坡采用30cm厚C20細粒砼砌石襯砌。砂礫石墊層底厚60cm，陰坡厚40～60cm，陽坡厚20～40cm。其優點是抗凍脹、抗沖刷效果較好，施工方便，施工方法成熟；缺點是塊(卵)石采集困難，施工質量極不易保證，使用壽命短。單位投資較大，單位投資為415.1元/m。

通過以上綜合比較分析，經方案比選，方案一弧形底梯形斷面，全斷面C20現澆砼襯砌方案最優，故為設計推薦方案。為防止冬季渠道及渠系建筑物發生凍脹破壞，參照SL23—2006《渠系工程抗凍脹設計規范》中的有關規定[16]，建議對改建渠道進行抗凍脹設計。

本次抗凍脹設計具體分析了改建干支渠道的地下水位埋深、渠床土質類型、挖填情況等，選擇大柏支渠斷面為典型斷面，采用基土置換法和保溫措施法兩種方案進行比較。

方案一：采用基土置換法，弧形底梯形斷面，底弧半徑0.7m，邊坡系數1∶1，渠深0.8m；全斷面現澆C20砼襯砌，渠底12cm，渠坡底部厚12cm、頂部厚10cm。墊層底厚80cm，陰坡60～80cm，陽坡40～60cm。

方案二：采用保溫措施法，梯形斷面，底寬0.7m，邊坡系數1∶1，渠深0.8；渠底現澆C20砼襯砌，渠底厚12cm，渠坡C20砼預制塊襯砌，預制件下面鋪設土工膜防滲，渠坡厚8cm。采用泡沫板防凍，泡沫板底坡均厚10cm。

兩種抗凍脹設計方案比較，首先從渠道斷面結構而言，方案一為弧形底梯形斷面，相比方案二梯形斷面抗凍脹能力強，其次，從抗凍脹材料的選擇上，方案一采用基土置換，便于就地取材，節省成本，施工簡單；方案二采用泡沫板，不利于節約工程成本。綜上所述，弧形底梯形斷面，結合基土置換設計為大柏支渠改建最優抗凍脹設計方案。

4 結語

為避免襯砌發生基土凍脹破壞，保證渠道襯砌的防滲減糙作用，應針對不同的基土凍脹情況，結合凍脹計算成果確定的換填料厚度，采取相應的防凍脹形式。不僅要根據工程的實際情況，結合施工流程進行施工，而且要充分考慮施工地區渠道凍脹的相關參數(土壤水分、氣候條件、混凝土特性以及渠基土的物理性質)。通過對河西灌區不同斷面類型混凝土墊層渠道抗凍脹設計進行優化，建議對原渠道拆除重新襯砌，橫斷面形式均采用弧形底梯形斷面，襯砌材料根據改建渠道的地形、地質、運行條件及當地建筑材料儲量綜合分析，選擇大柏支渠橫斷面為典型斷面。該方案不僅能夠加強混凝土質量的控制，做好混凝土養護和缺陷處理工作，而且可以保障渠道混凝土的質量和性能。