甘州區盈科干渠工程凍脹破壞的原因及防治措施

鄭輝玲

（甘肅省張掖市甘州區水務局 734000）

1 工程概述

盈科干渠是盈科灌區唯一一條輸水干渠，從黑河草灘莊樞紐的東總干渠張家寨分水閘引水，長25.2km，設計流量18m3/s，設計灌溉面積1.5萬hm2。由于干渠地處西北嚴寒地區，最低氣溫-28.0℃，多年平均凍土層深度120cm，每年11月初封凍，次年3月底解凍，年凍結歷時166～188天，經過多年運行，因干渠灌溉面積大，冬灌停水遲，受渠道滲漏和農田回歸水影響，凍脹破壞嚴重，已不能正常運行，被列入國家農業綜合開發水利骨干項目改建。

2 工程凍脹破壞現狀

根據工程設計地質資料分析，干渠0+000～3+000段為松散砂卵礫石層結構，表層土極薄，大都為礫質土，兩岸農田基本與渠頂平齊；3+000～11+000段，渠表面為砂壤土，厚度0.9～1.5m，下部為松散砂卵礫石層結構，含礫質土，極少膠結。該段內有4座小型水電站，挖方深度大于5m，填方高度小于2m，且填方部分大部分為表層土，屬凍脹土；11+000～18+000段，表層為砂壤土，中間為粉細砂土，并夾有細砂層，厚度4～20m，下部為砂卵石層結構，兩岸農田高出渠岸1～2m，屬凍脹性較強地帶；18+000～25+200段，表層土壤為砂壤和礫質土，透水性強，3m以下中間夾有粘土層和流砂層，厚度20～25m，以下為卵礫石層結構，沿線干渠挖方深度較大，屬強凍脹破壞地段。

在改建中，經過實地勘測渠道凍脹破壞情況，將其劃分為嚴重凍脹、一般凍脹、輕微凍脹和老化破損四級。

a.嚴重凍脹。砌石及混凝土板的勾縫全部脫落，渠坡鼓脹變形滑動、坍落，渠底上凸，裂縫寬度25～50mm，渠底坍落成復式斷面，不能正常通水運行。這類渠占全干渠的20.7%，長5.3km，主要集中在干渠電站前后等地段。

b.一般凍脹。砌石及混凝土板的勾縫大部分脫落，部分渠坡鼓脹變形滑動，渠底開裂，裂縫寬度10～20mm，達不到設計引水能力，已起不到防滲作用。這類渠占全干渠的19.6%，長5km，主要集中在干渠建筑物前后等地段。

c.輕微凍脹。砌石及混凝土板開裂，勾縫部分脫落，渠坡及渠底變形較小，為5～10mm，裂縫寬度小于5mm，能正常引水和基本發揮防滲作用。這類渠占全干渠的46.2%，長11.6km。

d.老化破損。渠坡渠底砌石勾縫基本脫落，裂縫較小，無變形，可正常引水但發揮不了防滲作用，類似于干砌石渠道。這類渠占全干渠的13.4%，長3.3km。

3 干渠工程凍脹破壞原因

3.1 工程質量控制不嚴

經干渠現場勘測，發現凡屬凍脹嚴重的地段均存在施工時施工質量控制不嚴、標準不高的問題。具體表現如下：

a.由于干渠早期建設時，《渠系工程抗凍脹設計規范》尚未頒布，原渠襯砌設計的混凝土強度等級、混凝土強度保證率沒有考慮凍脹問題，施工時混凝土的拌和、澆筑均為人工操作，振搗不密實，混凝土強度偏低，導致砌體及預制塊勾縫砂漿老化，使砌體開裂、脫落，降低了渠道防滲能力，加劇了渠道的凍脹破壞。

有些地方土方開挖尺寸達不到設計要求，墊層厚度小、含泥量高。根據實驗，原渠道墊層石含泥量一般為9.2%～19.2%，最高26.5%，遠遠超過了不大于6%的臨界值，且墊層石厚度在0.2～0.3m之間，遠達不到規范的要求。故在灌溉水入滲和渠水滲漏至墊層石后不能及時排走，導致墊層石飽和，在氣溫下降后產生凍脹破壞。

b.有些地方土方開挖尺寸雖然達到設計要求，但回填的不是墊層石而是土，沒有達到防凍脹的要求。

c.細粒混凝土砌石中，灌漿不密實，不飽滿，出現滲漏通道，使渠道發生凍脹。

d.干渠0+000～0+700段渠底凍脹嚴重，原因為冬季突擊施工，墊層、砌石均存在質量不合格問題。

3.2 灌水方式缺乏科學性

一方面干渠每年從3月中旬開閘放水，直到11月中旬才停水，長時間輸水使砌體及周圍處于飽和狀態，從而創造了凍脹產生的條件；另一方面，由于黑河干流無調蓄工程，河流來水時空分布極不均勻，不能保證農田適時適量灌溉，因而灌區不得不采取春季早開閘、冬季晚閉口的灌水方式，使滲入砌體及其下部土地體中的滲水還沒排出就產生冰凍，加快了渠道的凍脹破壞，降低了使用壽命。

3.3 地質構造較差

干渠地處西北嚴寒地區，最冷月平均氣溫為-10.3～11.5℃，極端最低氣溫為-28.0℃，多年最大凍土層深度120cm，年凍結歷時166～188天，嚴寒的氣候使所有裸露的物體經受無數次考驗，干渠更是首當其沖。地質勘查表明：干渠渠基床物質除0+000～3+000段為松散砂礫石層結構外，其余22.2km長渠段全部落在砂、粉質砂、粉質粘土和粉細砂地層上，按《渠系工程抗凍脹設計規范》要求劃分，全部為凍脹性土層。

3.4 管理運行不善

a.電站為增加發電量，不考慮渠道實際流量，只顧加大前池引水流量，使干渠負荷增大，超量引水，溢出渠道的水停留在原地無法滲向別處，產生凍脹。

b.管理單位對干渠冬季維修不及時，使凍脹破壞段得不到及時整治，凍脹隆起的土體不能恢復原來的位置，年復一年使凍土體積比原來增大數倍，導致渠道凍脹破壞。

3.5 灌溉回歸水不能及時排出

因干渠渠床中地層巖性顆粒細小，砂壤土、輕壤土、粉質壤土滲透系數小，僅為0.1～0.2m/天，故干渠南岸耕地回歸水不能及時下滲至粗顆粒地層或排走，在氣溫下降后就會發生凍脹破壞，表現最為顯著的是干渠陰坡。

4 防治凍脹措施

4.1 采用C15現澆混凝土防滲措施

干渠防滲材料選用現澆混凝土，強度等級為C15，抗凍脹等級為F100，抗滲等級為W4。通過實驗室拌和混凝土試塊抗壓試驗，選用和易性好、塌落度為0.55cm的二級配最佳配合比作為施工混凝土配合比，每立方米混凝土中：水泥用量 246kg，5～20mm 石 550kg，20～40mm 石1125kg，砂 654kg（砂率 28%），水 135kg；水泥采用普通硅酸鹽水泥。防滲層采用等厚板，渠底厚0.15m，渠坡厚0.12m，封頂厚0.10m。該方案的優點是防滲效果好，抗沖性能好，造價低，使用年限30～50年，施工工序簡單，施工方法易掌握。

4.2 采用渠基砂礫墊層料換填措施

根據《渠道防滲工程技術規范》，在強烈凍脹地區，當渠邊最大設計凍脹量大于允許凍脹量的2倍時，可采用“渠基換填措施”的規定，經計算工程凍脹量為9.87cm，超過混凝土砌體的允許凍脹量指標，采用砂礫墊層料換填措施，換填厚度：陽坡50cm，渠底80cm，陰坡115cm。換填的砂礫墊層料選用質地堅硬、新鮮，沒有風化剝落的天然砂礫石，粒徑范圍為5～60mm，粒徑小于0.1mm的顆粒含量不得大于10%，砂礫墊層料分層加夯壓實，壓實后干容量不小于1.75t/m3。

4.3 采用渠基排水滲水盲井措施

為將干渠南岸農田回歸水下滲至粗顆粒地層排走，在干渠設計中，每隔50m設一渠基地下排水滲水盲井，以利渠坡及渠底滲透水的下滲排泄,使砂礫墊層石中的農田回歸水及時排走，滲水盲井長1.0m、寬1.8～2.0m（同渠底寬）、深1.8～2.0m（或挖至砂礫石層），井內回填材料為砂礫墊層石，質量要求同渠道墊層石。

4.4 采取設置凍脹變形伸縮縫措施

為適應渠道凍脹變形，現澆混凝土襯砌渠道，沿水流方向每4m長設一橫向伸縮縫，縫形為矩形，縫寬2cm，厚度與襯砌混凝土厚度相同，縫內迎水面填筑3cm厚的聚氯乙烯膠泥，背水面填筑三氈四油。

4.5 選用適應渠道凍脹變形結構斷面措施

經方案比選，選用適應變形能力較強的弧形渠底梯形和矩形反拱斷面型式，采用全斷面整體現澆襯砌。這種斷面抗沖能力與渠水流速相適應，凍脹變形后，消融時靠自身可以還原，弧形渠底梯形斷面渠道設計流量18m3/s，設計縱坡 1/1000，邊坡系數 1∶1.5，圓弧半徑 1.12～1.64m，渠口寬5.89～7.10m，渠深1.72～2.05m；在干渠嚴重凍脹地段，如 18+000～18+260 段、13+700～17+900 段、14+950～15+150段，采用矩形反拱斷面型式，渠口寬3m，渠深1.9～2.0m。

4.6 采用老渠上套建新渠、抬高渠底高程措施

改建工程是在原渠上進行襯砌防滲，建設中對嚴重凍脹地段采用拆除、置換等措施，而對輕微凍脹、一般凍脹段采取在老渠上套建新渠、抬高渠底高程的措施，渠底平均抬高為18～20cm，符合規范要求。

4.7 加強工程施工質量管理

在工程建設中，建設單位嚴格執行《建設工程質量管理條例》和《水利工程建設管理規定》，全面落實“項目法人責任制、招標投標制、建設監理制、合同管理制”四項制度，建立健全“項目法人負責、監理單位控制、施工單位保證、政府部門監督”的質量保證體系，加強工程建設管理和工程質量管理，干渠改建項目竣工驗收時被水利部評為優質工程。

5 結論

從盈科干渠近幾年的運行狀況看，干渠改建中，采取的C15現澆混凝土防滲、渠基砂礫墊層料換填、建渠基排水滲水盲井、設置凍脹變形伸縮縫、建適應凍脹變形斷面的結構、老渠上套建新渠、加強工程施工質量管理等防凍脹綜合措施切實可行，解決了盈科干渠抗凍脹技術難題，將渠道的凍脹破壞降低在了最低限度，保證了盈科干渠的正常運行，發揮了干渠工程的輸水灌溉效益。