某小型農田水利工程渠道抗凍脹分析

張 龍

(新疆生產建設兵團第六師五家渠市水政監察支隊，新疆 五家渠 831300)

1 工程概況

103團地處天山北麓準噶爾盆地南緣，屬第六師五家渠市市轄團場之一，是“新疆軍墾第一犁”的所在地。團場經濟以農業為主，現有灌溉面積 25.36 萬畝，主要種植作物有棉花、番茄、瓜果、飼草料等。由于團場農業灌溉渠系防滲不完善，渠系水利用系數較低，農業生產發展受到較大限制，生產效益較低、職工收入增長緩慢。

2018年，103團實施小型農田水利工程項目建設。工程主要建設內容為，對8條渠道進行防滲改建，總長27.45km，設計流量0.5～1.5m3/s，配套建筑物21座，其中涵洞3座，閘18座。新建滴灌系統2個，控制面積2050畝，配套地埋管道16.519 km，地面管道15.811 km，新建沉沙池、泵房各2座。工程級別5級。

工程實施可以減少渠道的輸水損失，大大地提高了103團渠系利用率和安全系數，為團場農業可持續發展，增加農業用水量，打下了堅實的基礎，對改善團鎮職工群眾生活水平具有重要意義。

2 抗凍脹分析

2.1 凍脹條件

本次實施的103團小型農田水利工程項目，渠道防滲改建均在原渠線基礎上利用現有的渠基土進行，渠基土以均質粘土為主，伴有少量沙粒，土粒中粒徑小于0.05mm的土粒含量等于7.89%，大于6%；項目區平均土層凍深1.2m，遠大于0.1m；渠道沿線地下水位在 3.5～6.0m， 地下水位較低，但渠道兩側均為連隊農田，受兩側農田滲水影響，當凍結初期土的含水量大于 0.9 倍塑限含水量，將對渠道渠基土產生凍脹。因此，本項目在渠道防滲改建施工中要結合施工作業環境和地質類別的特性要求，需要對抗凍脹條件進行分析，進一步確定最佳抗凍脹方案。

2.2 凍深計算

103團小型農田水利工程渠道防滲改建實施中，根據不同渠道的水利特性要素和具體施工特點以及相關的地質情況，分別以三斗渠、七斗渠、五支渠作為典型代表計算凍深，具體凍深計算成果見表1。

表1 渠道凍深計算成果表

2.3 凍脹措施

103團小型農田水利工程項目渠道防滲改建均延現狀渠道進行布控，現狀渠道沿線地下水埋深深度均在 3.5～6.0m，經對現狀渠道地質情況進行分析與計算，該渠線基礎土質凍脹性能屬于Ⅱ級凍脹級別，根據水利工程中關于渠道防滲改建斷面法向位移有關技術要求，本次防滲改建渠道斷面形式允許法向位移值≤30cm，所以渠道凍脹量大于法向位移值，需設置非凍脹性土置換層防止凍脹對渠道工程造成凍脹破壞，非凍脹性土置換層厚度依據有關換算公示進行計算，進而確定渠道墊層厚度。

通過對103團小型農田水利工程三斗渠、七斗渠、五支渠渠道墊層厚度計算與分析，三條渠道邊坡抗凍脹墊置換層厚度范圍為24～37cm，渠道底板抗凍脹墊置換層厚度范圍為15～48cm。根據項目實施中不同斷面形式渠道的水利特性要素和具體施工特點以及相關的地質情況，結合工程項目區同類項目多年抗凍墊層設置經驗和成效，通過驗算與分析，得出103團小型農田水利工程不同斷面形式渠道抗凍脹墊置換層采用 40cm 墊層能夠滿足抗凍脹設計要求，因此本次渠道抗凍置換層厚度統一取 40cm。

2.4 凍脹材料選擇

由于工程項目區地下水變化幅度較大，特別是在洪水期和灌溉期，由于受到河道行洪和農田灌溉等的影響，當地下水升高時，易對運行渠道混凝土板產生頂托作用，致使渠道混凝土板產生變形和撬動，不利于正常維護使用。為了有利于渠道順暢排水，減少頂托和其他阻礙因素，本次項目實施中渠道抗凍置換材料選用厚度40cm砂礫石和苯板+排水體兩種材料進行比選分析。

(1)苯板+砂礫石排水體

項目區渠道最大設計凍深為 47cm，保溫層厚度全斷面均取 4cm，保溫材料選用Ⅲ型聚苯乙烯泡沫塑料板，項目區市場單價 586 元/m3。

砂礫石排水體設置：保溫層下每隔 12m 鋪一道寬 1m 的橫向砂礫石條帶，渠底中央和兩側坡腳處鋪一道寬 1m 的縱向砂礫石條帶，與橫向砂礫石條帶連通， 形成砂礫石排水網。當項目區地下水位高于渠道內水位時，地下水可通過逆止閥排入渠道內，減小渠道砼板下的揚壓力，防止苯板和砼板受頂托破壞。苯板+砂礫石排水體橫斷面如圖1所示。

圖1 苯板+砂礫石排水體橫斷面圖

(2)砂礫石墊層

墊層厚度值取 40cm，項目區市場單價為 116.7 元/m3。砂礫石抗凍體墊層用料可在項目區附近料場取材，根據在以往渠道實施運行中積累的豐富經驗，便于項目實施中控制施工質量，可利用砂礫石抗凍體墊層進行置換渠道基礎中的不良狀況的土質，對起到穩固渠道基礎作用。砂礫石墊層橫斷面如圖2所示。

圖2 砂礫石墊層橫斷面圖

(3)方案比較

砂礫石墊層的主要優點：①渠道抗凍效果好，整體結構穩定和耐久性好；②由于對渠基進行了徹底換填，當質量達到要求時，可保證渠道永久不受凍脹危害，效益長久。③施工工藝簡單，易于維修。④工程投資較少。同時也具有以下缺點：①由于換填厚度大，土方工程量較大，施工進度緩慢；②施工難度大，由于清除了渠基原狀土，換填后的天然砂礫石墊層需要進行夯實并達到施工規范要求難度較大。

苯板+排水體的主要優點：①渠道整體保溫效果好；②砂礫石排水體的設置，有利于減少地下水的揚壓力，排水效果好。③施工內容少，進度較快。

同時也具有以下缺點：①運行幾年后，易形成淤堵，不利于通水。②施工工藝繁瑣，施工工期較長。③工程投資較多。

2.5 分析結論

通過對砂礫石換填方案和苯板+排水體方案進行對比，從渠道抗凍效果、整體性、耐久性、工程施工、施工工藝、運行管理、工程投資方面分析、比較，分析成果詳見表2。

表2 凍脹方案分析成果表

綜合上述分析成果，結合工程項目區不同渠道斷面形式的水利特性要素和具體施工特點以及相關的地質特性，最終確定103團小型農田水利工程渠道抗凍脹采用天然砂礫石換填層作為該工程的抗凍脹設計方案。

3 結語

103團小型農田水利工程項目建設中對渠道抗凍脹方案進行比選、分析，降低了工程投資，提高了渠系利用率和安全系數，便于工程運行管理，進而改善了團場農業灌溉輸水條件。最終確定天然砂礫石換填層抗凍脹方案僅限于渠基土以均質粉性土為主，平均土層凍深小于1.5m，渠道沿線地下水位較低，設計流量 1.0m3/s左右，且縱坡在0.001左右的支、斗渠工程中適用。非上述情況的渠道抗凍脹方案還需結合工程實際狀況重新進行論證、分析，最終確定適合渠道特性的最佳抗凍脹方案。