濕陷性黃土區渠道防滲體不均勻沉陷破壞治理技術研究

摘 要：為解決濕陷性黃土區渠道不均勻沉陷、混凝土襯砌板沉陷滑塌嚴重、影響渠道安全運行的問題，通過對寧夏固海擴灌十干渠沉陷原因進行分析，對渠道基土進行翻夯，增設土工格柵，增加基土的承載力；采用弧底梯形現澆混凝土斷面、鋪設復合土工膜和苯板等綜合措施對渠道沉陷進行治理。結果表明：渠道基土經過翻夯后密度達到１．７８ ｇ／ ｃｍ３，孔隙比大幅度減小，密實度增大；采用現澆弧底梯形斷面，其結構受力條件好，受到的凍脹力和不均勻沉陷有均勻化的調整；渠道改造治理后的基土含水量、混凝土板的凍脹量和沉降量均得到有效控制。通過對濕陷性黃土區渠道的綜合治理，完善了對渠道沉陷及混凝土板滑塌破壞等進行治理的理論設計和方法。

關鍵詞：濕陷性黃土；渠道；沉陷破壞；混凝土板滑塌；預防措施

中圖分類號：ＴＶ６９８．２＋ ３２；Ｐ６４２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０４．０２０

引用格式：王緒存，張海軍，李建國，等．濕陷性黃土區渠道防滲體不均勻沉陷破壞治理技術研究［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（４）：１２７－１３２．

０ 引言

寧夏固海擴灌十干渠位于濕陷性黃土區，基土濕陷嚴重。渠道在長期運行中發生不均勻沉陷，渠道襯砌混凝土板沉陷、架空、滑塌等破壞現象嚴重，渠道的安全運行和過流能力均受到不同程度的威脅。為恢復渠道的輸水能力，消除基土不均勻沉陷造成的渠道混凝土板滑塌、沉陷變形等危害，對基土進行翻夯治理，渠道襯砌采用弧底梯形斷面結構，并對渠道防滲、防凍脹結構進行優化。

目前對濕陷性黃土以及渠道混凝土板沉陷、滑塌等治理有大量的研究成果，如：陳偉等［１］ 、武小鵬等［２］闡述了濕陷性黃土的物理力學特性，高英等［３］ 分析了孔隙在濕陷黃土中的變化，邵生俊等［４］ 對黃土物性指標與濕陷性參數間的關系進行了分析，李萍等［５］ 采用回歸分析對濕陷性進行評價，有些學者通過現場浸水試驗對黃土自重濕陷性進行分析［６－８］ ，還有些學者從微結構研究黃土濕陷機理［９－１０］ ，戴長雷等［１１］ 研究凍土區水分運行規律，王正中等［１２］ 、唐少容等［１３］ 對渠道的凍脹原因和特征進行分析，王緒存等［１４］ 用排水帶治理渠道凍脹破壞，余曉敏等［１５］ 建立了渠道凍脹破壞的力學模型，肖旻等［１６］ 分析了高地下水位對混凝土板凍脹破壞的影響，張棟等［１７］ 對不同類型保溫板的防凍脹效果進行了分析。本文以寧夏固海擴灌十干渠為例，針對濕陷性黃土區渠道防滲體的不均勻沉陷破壞問題，提出對基土進行翻夯、渠道采用弧底梯形斷面和防滲防凍脹等治理措施，并根據渠道混凝土板的沉降量和基土含水量等分析驗證其治理沉陷的效果，以期為濕陷性黃土區渠道的科學設計和安全運行提供參考。

１ 渠道改造的必要性

固海擴灌十干渠在建設初期受多種因素影響，渠道基土濕陷性處理不到位，渠道砌護只進行了防滲漏處理（原渠道采用聚乙烯土工膜加混凝土預制板進行砌護防滲），渠道經過十幾年的運行，發生沉陷變形、混凝土板滑塌等破壞，局部最大沉降量達到１１８ ｃｍ，過流能力由原設計流量９．０４ ｍ３ ／ ｓ 變為５．０ ｍ３ ／ ｓ，因此對固海擴灌十干渠進行改造十分迫切和必要。本次選取沉陷嚴重的１＋２３０—４＋５００ 段進行治理改造。

２ 渠道運行情況及巖性

２．１ 渠道的運行情況

固海擴灌十干渠位于東經１０６°６′、北緯３８°３８′，屬于季節性凍土地區，該區年降水量為１８５～２２０ ｍｍ，年蒸發能力為１ ２５０～１ ３００ ｍｍ，年平均氣溫為６．８～９．６℃，每年１ 月下旬氣溫最低，最低值達到－３１．２ ℃，７ 月氣溫最高，極端值為３８．６ ℃，冰凍期為１１ 月上旬至次年４ 月下旬，凍結天數約為１７０ ｄ，凍土深度為９０～１１４ｃｍ，地下水埋深１５．２～２６．５ ｍ。渠道在每年４ 月初農田春灌時過水，直到８ 月底秋灌結束；１１ 月初冬灌上水，１１ 月末冬灌結束。每年的冬灌幾乎都在負溫條件下運行，渠道滲漏和基土凍脹對渠道混凝土板破壞嚴重。同時，渠道沿途建有多個調蓄水庫和蓄水池用于農業灌溉和人飲工程的錯峰調節。每年９—１０ 月的停水期是渠道維修的黃金季節。

２．２ 渠道的地形地貌及地層巖性

固海擴灌十干渠建在清水河河谷的Ⅲ級階地上，該階地地勢較平坦，向河谷傾斜，以黃土為主。分布在渠道兩岸及低洼溝道的地層主要有第四系全新統人工填土、第四系上更新統黃土（深度大于３０ ｍ）。由于地下水埋深較深，因此地下水對渠道運行無影響。渠道兩岸土體為土黃色粉粒，土質較均勻，稍濕－濕，硬塑狀態，垂直節理發育；大孔隙發育，具濕陷性。

２．３ 渠道巖土的物理力學性質

本次改造的固海擴灌十干渠１＋２３０—４＋５００ 段屬于典型的濕陷性黃土區。渠道在建設之初防滲襯砌標準低，濕陷性沒有得到很好的治理。其原狀黃土基本物理力學指標見表１。

２．４ 渠道黃土的濕陷性

固海擴灌十干渠為濕陷性黃土場地，土層厚度均大于３０ ｍ。本次渠道濕陷性治理的土層深度較淺，在勘察取樣時探井深度均未揭穿該濕陷性土層。渠堤探測取樣深度范圍內為Ⅳ級自重濕陷性黃土，濕陷系數δｓ 和自重濕陷系數δｚｓ 的最大值分別為０．１６１和０．１５３，土體的濕陷量和自重濕陷量最大值分別為１ ５１５．５ ｍｍ和７２９．６ ｍｍ，渠道土體的濕陷性和自重濕陷性均屬于強烈級別。

３ 渠道沉陷段混凝土板破壞情況分析

３．１ 渠道發生沉陷的原因

對于濕陷性黃土渠道，造成渠道沉陷變形的原因是多方面的，但誘發濕陷性黃土沉陷有以下３ 個因素：一是土體濕陷性的內在特性，二是土體中水的浸入，三是土體的外部荷載作用。土體的沉降量隨濕陷特性不同而發生變化；土體中水的浸入、土體的自重和附加在土體上部的荷載是誘發土體發生沉陷的重要原因。

３．２ 渠道沉陷破壞的宏觀分析

固海擴灌十干渠為預制混凝土板襯砌的梯形渠道，渠道底寬１．５ ｍ，砌護高度２．８ ｍ，邊坡１ ∶ １．５，混凝土襯砌板厚６ ｃｍ，下部鋪設０．３ ｍｍ 厚的聚乙烯防滲土工膜。渠道兩側的高地均為農田，農作物灌溉和地表水的下滲使渠道基土不斷濕化，造成基土濕陷，進而引起渠道局部沉陷、混凝土板發生沉陷變形、滑塌破壞等現象。渠道防滲土工膜的局部沉陷，導致土工膜變形量加大，發展到土工膜局部拉裂、渠道水滲漏；另外在渠道施工過程中，混凝土板鋪設造成的土工膜破損沒有修補，造成破損部位渠道水滲漏，渠道基土含水量增大，渠道水壓力和渠堤土壓力的共同作用加速了渠道的沉陷。在冬季渠道停水期間，基土發生凍脹融沉，加劇了渠道混凝土板的架空、滑塌等破壞，使來年渠道上水期間滲漏量加大，形成渠道水滲漏—基土沉陷的互饋破壞現象。渠道滲漏、基土沉陷與混凝土板縫開裂、滑塌破壞機理如圖１ 所示。

渠道在長期滲漏—沉陷的互饋破壞中，沉陷范圍及沉陷量均越來越大，混凝土板的破壞及沉陷逐漸加大，輸水能力越來越低。由此還會引起渠道沉陷部位四周形成沉陷裂縫，造成渠堤開裂、渠道決口等。

３．３ 渠道沉陷破壞的微觀分析

在黃土的天然結構中，土體孔隙是由土體骨架顆粒之間的格架空間組成的。土體顆粒附著的可溶鹽和顆粒間格架孔隙所占的比例對土體濕陷性的大小有顯著的影響。

濕陷性黃土的沉陷分為溶解、移動和重組３ 個階段。濕陷性黃土經過水的浸泡后，土體顆粒或顆粒間吸附的可溶鹽逐步溶解，顆粒間孔隙所占的比例逐漸增加，黏土礦物質對土體顆粒骨架的膠結作用減弱，使土體形成欠密實的架空結構，顆粒間的聯結強度降低，土體的抗壓強度減小。土體在上部荷載的作用下，顆粒間的支撐結構逐漸失穩，膠凝顆粒發生滑移，顆粒間的孔隙大小重新分布，發生濕陷變形的大孔隙和架空孔隙逐漸減少。土體的孔隙比和體積減小，土體密度增大；顆粒間的排列方式也由架空－鑲嵌結構逐漸轉變為接觸－膠結結構，土體顆粒間的排列達到新的平衡，土體結構重新達到穩定狀態，體積減小，土體發生沉陷。

３．４ 渠道土層孔隙分析

從固海擴灌十干渠的土層探測結果來看，渠堤不同深度的原狀土孔隙比和孔隙率呈現先增大后減小的狀態，０～３ ｍ 范圍內孔隙比緩慢增大；３～７ ｍ 范圍內孔隙比和孔隙率逐漸增大，最大值分別為１．１９５ 和５４．４４％，說明在該深度范圍內渠道基土的孔隙多、結構松散、承載力低；７ ～１１ ｍ 范圍內隨著土壓力增大，含水量降低，孔隙比和孔隙率逐漸減小。０ ～ １１ ｍ 范圍內原狀土的孔隙比和孔隙率的平均值分別為１．０３和５１．６９％，說明在勘測深度范圍內的黃土密實程度均較低。

４ 渠道沉陷破壞的防治

固海揚水干渠主要承擔寧夏中南部山區人畜飲水及農作物灌溉任務，受渠道季節性輸水的限制，不能對渠道基土進行長時間浸泡消除黃土的濕陷風險。為了有效治理渠道的沉陷變形，主要采取措施增加渠道基土的密實度，減小土體孔隙率，增強基土的承載能力；另外對渠道進行防滲漏和防凍脹砌護，減少渠道水滲漏和凍脹對渠道的危害。

４．１ 渠道翻夯斷面的設置

為了恢復渠道的輸水能力，消除渠道安全隱患，對沉陷變形段落進行改造，主要措施是對渠道基土進行翻夯，增加基土的承載能力；對渠道重新砌護，恢復和加強渠道防滲、防凍功能。

４．１．１ 翻夯機理

渠道水的滲漏導致基土發生沉陷。渠道沉陷從渠道中心線向兩側擴散，呈現窄長的“漏斗”形狀，越接近渠道中心線沉陷越嚴重，結構越疏松。在該“漏斗”形狀的基土中孔隙比從內向外逐漸降低。通過翻夯靜壓能有效降低基土的孔隙比，在適宜含水量的作用下，震動碾壓能使基土顆粒發生緩慢的蠕動變形，隨著變形量的減小，基土趨于穩定，孔隙比再次降低，最終渠道的濕陷達到穩定狀態，有效提高了翻夯土的密實度。根據渠道土層孔隙率分析，渠堤向下３～７ ｍ（即渠底向下０～４ ｍ）范圍內基土的孔隙比最大，考慮到翻夯深度受渠道斷面的限制和改造的經濟合理性，渠底翻夯深度取２ ｍ，邊坡翻夯深度?。?ｍ。

４．１．２ 翻夯設置。

該段渠道基土為Ⅳ級自重濕陷性黃土，濕陷性比較嚴重，并且濕陷性黃土的埋深較深，基土的孔隙率大，承載能力低。為了提高渠基的承載力，對渠道底部和邊坡進行翻夯處理。在渠道底部的基土中每３０ ｃｍ厚鋪設一層土工格柵，共鋪設３ 層，以此增加基土的承載力。為了達到渠道全坡面基土翻夯的效果，在渠道邊坡翻夯時，邊坡回填超填２０ ｃｍ，在坡面全部回填完成后將超填的２０ ｃｍ 以削坡的形式進行處理，以此來增加渠道基土的承載能力。

４．１．３ 翻夯效果

為了使渠道翻夯的壓實效果達到最優狀態，對渠道翻夯的內坡和底部基土的含水量進行測量，結果見表２。

對渠道基土翻夯進行壓實度試驗，根據試驗結果確定土體最大干密度對應的最優含水量。土體的壓實效果受基土含水量的直接影響，當基土含水量較低時，土粒間的摩擦阻力較大，基土不易壓實；在基土中加入適量的水，可減少土顆粒間的摩擦阻力，提高土體的壓實效果。但當土體含水量過高時，土粒間的孔隙被多余的水分填充，土體的壓實效果降低。當土體含水量達到最佳時，土體的壓實效果才能達到最優狀態。該段渠道試驗測得的基土最大干密度為１．８４ ｇ／ ｃｍ３，壓實最優含水量為１３．８％。

４．２ 渠道翻夯

為了使渠道翻夯土的含水量達到最優，機械開挖時將渠道底部和邊坡的土方進行預混合摻拌，渠底和邊坡的土料水分在不同方向上充分遷移，使土料的含水率達到最優。分層回填時，采用靜壓和震動兩種方法相結合進行碾壓。基土回填過程中進行取樣，測得回填密度均在１．７８ ｇ／ ｃｍ３ 以上，比原基土密度增大了０．２９ ｇ／ ｃｍ３；計算得到基土的孔隙比為０．７２８，比原渠道基土平均孔隙比減?。埃常埃?。

土工格柵是一種以聚烯烴為基材的土工合成材料，合成時加入一定的添加劑， 經過強力焊接而成三維柵格狀結構，具有質量輕、強度高、耐老化等性能。渠道翻夯時，在鋪設的土工格柵中加入松散土料，在機械碾壓作用下，土工格柵與基土相互咬合、連鎖、黏結，在基土中形成復合柔性結構體系，有效增大了土體的黏聚力和內摩擦角，增強了基土的抗壓、抗剪性能，基土應力和應變特性得到改善，沉陷變形和側向位移得到控制，整體承載力得到增強，渠道的穩定性得到提高。

４．３ 渠道砌護斷面

４．３．１ 原渠道斷面

原渠道為預制混凝土板襯砌的梯形渠道。渠道在冬季受到凍脹力作用發生不均勻沉降時，底部混凝土板因受到兩側邊板的約束，在較大的彎矩和拉應力作用下，中部易出現裂縫。兩側邊坡的混凝土板在受到凍脹力作用的過程中，邊坡底部受到的法向力和切向力均最大，邊坡下部的混凝土板受到底部混凝土板的約束，不會產生大的位移，但邊坡的中下部受到的拉應力增大，混凝土板間的填縫首先產生裂縫，進而混凝土板形成隆起、架空、滑塌破壞等現象，進而造成渠道滲漏、沉降加劇等。

４．３．２ 弧底梯形斷面

為了避免梯形渠道斷面不均勻沉陷和應力集中導致渠道襯砌混凝土板的破壞，本次改造中渠道斷面采用圓弧底梯形斷面?；〉滋菪螖嗝娴闹饕獌烖c是渠道的整體結構性好，邊坡和底部的混凝土板受力相互制約，對凍脹力的分布有均勻化的調整，渠道兩側產生的法向凍脹力使渠道整體上抬或下沉，混凝土板側向位移量小，渠道底部受力均勻，不會發生突變現象，混凝土板受到的應力得到調整。

４．３．３ 改造渠道斷面

渠道襯砌斷面見圖２。在渠道的襯砌結構中，自上而下依次為２０ ｃｍ 厚現澆混凝土、３０ ｍｍ 厚Ｍ５ 水泥砂漿、兩布一膜復合土工防滲膜（土工膜為０．５ ｍｍ的ＰＥ 膜，土工布為２００ ｇ／ ｍ２ 滌綸短纖針刺非織型土工織物）和４０ ｍｍ 厚苯板（２０ ｇ／ ｍ３）。

弧底梯形現澆混凝土斷面與預制板襯砌斷面相比，克服了因預制混凝土襯砌板較小而回填細石混凝土的縫隙多，在渠道基土受到不均勻凍脹時混凝土板縫容易開裂，造成混凝土板架空、滑塌等缺陷。弧底梯形斷面底部為圓弧結構，結構受力的整體性能好，當弧底受到凍脹力和不均勻沉降時，底部和兩側邊坡受到的應力以軸向力為主，在應力作用下會發生混凝土板的整體上抬或下沉，同時還會發生微小的整體側移，對所受的應力有均勻化調整，避免了梯形斷面在坡腳處應力集中的現象；同時弧底渠道輸水具有濕周小、水力性能優等特點。

在混凝土板底部鋪設的復合土工膜，是以聚氯乙烯塑料薄膜為防滲基材、與無紡布復合而成的土工防滲材料，其防滲效果好、質量輕、延伸性能好、抗撕裂性能和抗穿刺能力強，具有較好的抗拉性能和延伸性，同時無紡布表面粗糙，增大了與土體接觸面的摩擦系數，有利于渠道坡面的穩定。鋪設的聚苯乙烯泡沫板是一種性能良好的泡沫隔熱保溫材料，具有質量輕、導熱性低、吸水率小、抗老化性能強、運輸施工方便等優點，對渠道基土具有蓄熱保溫性能，能有效減小渠道基土的凍脹深度和凍結速度，從而降低渠道混凝土板的凍脹破壞程度。

４．４ 改造后效果分析

４．４．１ 渠道凍脹及沉降量

固海擴灌十干渠沉陷段于２０２０ 年秋季渠道停水期間完成改造后，在不同段落設置觀測點，對沉降量進行觀測，對各個斷面的控制點進行校對，確認無誤后作為初始點進行控制測量。分４ 個階段對渠道高程進行測量，分別于２０２１ 年和２０２２ 年的１ 月和９ 月渠道停水期進行，１ 月是渠道凍脹最嚴重的時間，９ 月是渠道基土含水量相對較高的時間。測量結果見表３。

從表３ 中可以看出，在渠道凍脹最嚴重的１ 月，渠道圓弧底和兩側的邊坡均有不同程度的凍脹現象，凍脹量最大值為３８ ｍｍ；９ 月渠道沉降量最大值為２７ｍｍ，渠道的高差變化均在可控范圍內，沒有出現大的沉降變化。

４．４．２ 渠道凍土深度

２０２１ 年１ 月對改造段渠道和未改造段渠道以及大地的凍土深度進行對比，采用直徑１５ ｃｍ 的鉆進行鉆芯取樣，兩側在邊坡中部位置，渠底在中心線附近，大地凍土深度采用現場開挖實測，對比結果見表４。

實測的大地凍土深度最大，未改造渠道（鋪設有防滲膜和混凝土預制板）的凍土深度次之，改造段的凍土深度最小。渠道凍土深度的測量為鉆芯取樣，對凍土有一定的擾動，但誤差不會太大?？梢钥闯?，渠道鋪設苯板后防凍效果明顯，能有效預防渠道的凍脹破壞。

４．４．３ 渠道基土含水量

在進行凍土深度測量時，對渠道邊坡苯板以下３０ｃｍ 處和渠道底部苯板以下５０ ｃｍ 處的基土含水量進行測量，實測改造段基土的含水量見表５。

渠道邊坡及渠底基土的含水量均接近原渠道基土的含水量，且沒有出現隨季節變化而增加的現象，說明渠道改造后防滲效果好，沒有出現滲漏水現象。

渠道改造段經過２ ａ 運行觀測，渠道沉降量在可控范圍內，渠道沉陷和凍脹破壞狀況得到極大改善，現澆混凝土弧底和坡面混凝土板均未出現沉陷和開裂等破壞現象，渠道的改造治理達到了預期效果。

５ 結論

本文剖析了寧夏固海擴灌十干渠濕陷性黃土區渠道發生沉陷、渠道砌護混凝土板產生破壞的原因，提出采取措施增加渠道基土的承載力、改造渠道砌護類型、防治渠道的滲漏、降低渠道基土中的含水量、確保渠道不發生沉降變形等破壞，并實測沉降量和基土含水量分析驗證治理效果，得出以下結論：

１）對于濕陷性黃土區渠道，進行渠道基土翻夯能有效提高基土的干密度，降低基土的孔隙比；在翻夯土中鋪設土工格柵，能大大提高濕陷性基土的承載力。

２）渠道改造時鋪設復合土工膜和聚苯乙烯防凍脹結構，能有效治理渠道水的滲漏，預防基土沉陷和凍脹破壞。

３）渠道采用現澆混凝土弧底梯形斷面能有效降低渠道不均勻沉陷引起的應力集中，避免濕陷性黃土的不均勻沉陷，有效保護渠道的整體穩定性。

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【責任編輯 許立新】

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