嚴寒地區渠道凍脹破壞修護設計應用

韓夢君

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

我國西北地區干旱而少雨，引水灌溉渠道往往被視作極為重要的基礎民生工程。渠道運行質量對于當地經濟發展、民生及社會安定有著舉足輕重的作用。但受限于工程投資、工程地質水文及現場條件，基礎渠道工程往往低于設計標準[1]，加之我國西北地區屬季節性凍土區，灌區渠道基土受凍脹影響非常明顯[2]，渠道襯砌往往出現不同程度的凍漲破壞，輕者出現裂縫、鼓脹，重者坍塌滑坡，引水灌渠帶病運行，渠道的水利用效率低下[3]，無法充分的發揮出渠道實際效能，甚至會產生嚴重的安全隱患，嚴重影響并制約著嚴寒地區的農牧業發展。如何一勞永逸的做好嚴寒地區渠道凍脹防治設計及維修養護工作，保證渠道運行的可靠性和經濟性[2]，已是我國北方嚴寒地區渠道運行管理所面臨的一個重要課題[3]。

我國早在上世紀開始進行渠道凍脹規律及其防治措施的研究。馬棟和[3]依據哈達山水利樞紐工程對嚴寒地區高地下水渠道的邊坡凍脹特性進行研究，得出地下水位變化對凍脹的影響程度及陰、陽坡凍深比。劉開清[4]采取清除凍脹的渠基及破壞的砌石體，回填非凍脹性的中砂或粗砂對該流域漿砌石河渠凍融破壞部位對討賴河渠道凍融破壞進行維護和加固。管郁[5]提出，若無法避開凍脹區，可采取置換法、隔熱保溫法、化學處理法、壓實法、防滲排水法等措施消除凍脹影響；也可以通過優化渠道斷面形式來提高渠道的抗凍漲能力。渠道凍脹破壞的成因較為復雜，考慮凍脹破壞主因及相關費用，現有渠道凍脹維護和整治措施以現場材料砂礫石墊層為主，本文通過對采用砂礫石墊層解決原混凝土襯砌凍脹破壞問題。

1 工程概況

結然力克2 號引水閘位于塔里木河流域干流上游新其滿管理站，主要用于農業和生態供水，其設計流量為60.7 m3/s，引水閘下游海漫段全長35 m，為全斷面梯形漿砌石襯砌，渠道底寬為13 m、口寬為25 m、內邊坡系數為1∶2.0、渠深3.0 m。

塔里木河流域大地封凍期為每年11 月份下旬～來年3月份上旬，塔里木河流域新其滿多年平均氣溫10.8℃，極端最低氣溫-29.1℃。大地封凍期結束后，引水閘下游海漫段出現砂漿脫落、漿砌石破損開裂、翹曲及嚴重變形，并在海漫段末端、邊坡、底部等多處形成孔洞，影響結然力克2 號引水閘正常運行，存在一定的安全隱患，見圖1、圖2。

圖1 工程區引水閘下游海漫段左岸凍脹破壞情況

圖2 工程區引水閘下游海漫段右岸凍脹破壞情況

2 維修方案

2.1 原因分析

1）水文：塔里木河流域潛水位埋深1.30 m～5.95 m，工程區鄰近氣象臺(站）的地下水位深度為3 m，年變幅0.5 m～1.0 m，地下水位受河水位的影響，枯水期地下水位在凍結深度以下。

2）冰情：工程區平均凍土深度為50 cm，最大凍土深度為82 cm。依據《渠道防滲工程技術規范》規定：對凍深大于30 cm的地區，應判定是否凍脹，并采取防凍脹措施。

3）地質：查看工程地質報告，工程區地層從上至下分為兩層，①低液限粉土層②粉土質砂層。工程區土質均具有凍脹性，需考慮凍脹問題。且渠基接觸粉土層凍脹性較大。

4）工程效用：工程區為引水閘下游海漫段，起消能防沖作用。

5）考慮到工程區渠底襯砌材料為漿砌石，工程區損壞原因：水力沖刷前提下的凍脹作用導致渠道破壞。

2.2 方案設計

1）結合工程所在地設計經驗，采用抗滲性及抗沖刷性更好的現澆混凝土板代替原漿砌石作為渠道襯砌，板厚12 cm，現澆砼強度等級C20、抗凍等級為F200、抗凍等級為W6；為使混凝土渠道襯砌結構適應并削減凍脹變形，避免渠道混凝土襯砌板凍脹隆起和架空，渠道設計在底板與邊坡之間設置縱縫、順水流方向每隔5 m 設置一道橫縫，縫寬2 cm，采用2 cm 厚高壓閉孔板填縫、2 cm×2 cm 聚氨酯灌縫。

2）因渠道基底粉土層凍脹性大，應驗算渠道各部位的凍脹位移量，梯形斷面的混凝土渠道襯砌，其結構允許法向位移值為5 mm～10 mm，如若渠道陰面、陽面及底面的凍脹量大于允許法向位移值，應采取相應的抗凍脹措施。

3）設計凍深計算

式中：Zd為設計凍深，m；φf為凍深年際變化的頻率比系數；φd為日照及遮蔭程度影響系數；φw為地下水影響系數；Zk為標準凍深，指氣象站多年實測最大凍土深的平均值,本工程為0.54 m；φi為典型斷面某部位的日照及遮蔭程度修正系數；a、b 為相關系數；Zwo為鄰近氣象臺(站）的地下水位深度，工程取值為3 m；α為系數，工程取值為0.79；Zwi為計算點的地下水位深度，工程取值為3 m。

計算凍深見表1。

表1 工程區引水閘下游海漫段設計凍深計算表

4）基礎下基土的凍脹量計算：

式中：Δh 為基土凍脹量，mm；p 為荷載修正系數，工程取值為0.165；β 為與季節凍結層內地基土的干密度ρd有關的系數，工程取值為0.018；p 為計算點地基的荷載強度，100 kPa；Δh 為地基土地表凍脹量，工程取值為210 mm；Zd為設計凍深；Zb為基礎下土的凍深，Zb=Zd-ds，ds為混凝土板厚度。

渠基土凍脹量計算見表2。

表2 工程區引水閘下游海漫段渠基土凍脹量

基礎下的基土的凍脹量為28.15 mm～31.46 mm，超出了混凝土梯形斷面的抗凍脹能力，因此需要采取渠道防凍脹的措施。

設計提出以下方案削減凍脹：1）采用聚苯乙烯板保溫；2）采用砂礫石墊層換填渠基。

2.3 方案比選

設計從工程量、材料需求、施工難易程度及工程經濟等方面對方案進行優選，見表3。

表3 設計方案比選

上述2 種方案均能滿足抗凍設計要求，2 種方案工程投資均較小，砂礫石墊層在以往的工程中防凍效果較好，施工質量容易控制，且總體工程量不大，工程設計最終選用砂礫石墊層換填方案作為渠道凍脹削減措施。

砂礫石墊層換填厚度計算：

式中：Zn為砂礫石墊層換填厚度；ε 為置換比；δ0為襯砌板厚度，m；本工程為0.12 m；Zd為置換部位的設計凍深，m。

換填厚度計算見表4。

表4 防凍砂礫石墊層換填厚度計算表

3 結語

我國西北嚴寒地區的灌區渠道，當地下水位低于基礎設計凍深時，采用砂礫石墊層換填原渠底凍脹性基土，施工難度低，工程投資小，是季節性凍土地區凍脹破壞較為常見的防止措施；通過對塔里木河流域引水閘下游原漿砌石海漫段滲漏及凍脹破壞進行分析，提出采用抗滲性好、耐久性長的混凝土襯砌代替原漿砌石襯砌，并采用砂礫石墊層換填原襯砌下高凍脹粉土層，有效完成工程區渠道凍脹破壞維護工程。