新疆孔雀河灌區(qū)渠道襯砌工程抗凍脹模式及應用淺析

申 蓮

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

新疆孔雀河灌區(qū)渠道襯砌工程抗凍脹模式及應用淺析

申 蓮

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

凍脹是造成襯砌渠道破壞的主要因素，同時抗凍脹問題處理也是渠道工程建設中的重點和難點。探討渠道凍脹破壞機理，通過應用和試驗，分析適宜新疆孔雀河灌區(qū)渠道抗凍脹的基土置換墊層、隔熱保溫、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等幾種模型的優(yōu)缺點，認為采用聚苯乙烯保溫板抗凍脹措施宜全面推廣。

渠道襯砌;抗凍脹措施;孔雀河灌區(qū)

孔雀河灌區(qū)位于孔雀河流域中游地區(qū)，地處新疆巴音郭楞蒙古自治州中部。其氣候特點是光熱資源豐富，溫差大，降雨少，蒸發(fā)強烈，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候。多年平均降水量 53.3～62.7 mm，多年平均蒸發(fā)量 2 273～2 788 mm，平均相對濕度為45～47%，多年平均氣溫 11.5℃，夏季炎熱，極端最高氣溫達43.6℃，冬季寒冷少雪，1月份平均氣溫 －9.4℃。全年以晴天為主，日照時間長，太陽輻射能量多，晝夜溫差大。多年平均日照時數(shù)3 036.2h，大于10℃的年積溫4 000℃以上，無霜期191 d，最大凍土深度0.8 m。孔雀河灌區(qū)是巴音郭楞蒙古自治州的重點農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域，該區(qū)地勢平坦，地下水位高，屬大陸性溫帶荒漠干旱性氣候。復雜的地質(zhì)構(gòu)造和嚴酷的氣候條件，使渠道凍脹破壞現(xiàn)象較為嚴重。

1 凍脹破壞機理

根據(jù)新疆孔雀河灌區(qū)多年已建成渠道的運行觀察，渠道變形主要是凍脹破壞。基土發(fā)生凍脹的基本條件是負溫、土質(zhì)和水分，負溫是基土發(fā)生凍脹的外因，土質(zhì)和水分是基土發(fā)生凍脹的內(nèi)因。一般而言，土中粒徑小于0.05 mm的土粒大于總土重6%的土為凍脹性土，基土凍前含水量不大于塑限含水量加2%便會發(fā)生凍脹。另外土體在凍結(jié)過程中不僅初始凍結(jié)面的水分凍結(jié)膨脹，而且未凍區(qū)的水分在表面張力和毛細管作用下向凍結(jié)區(qū)遷移，水分遷移使凍結(jié)區(qū)的含水量劇增，導致凍脹加劇。隨著冬季氣溫的不斷下降，凍結(jié)深度不斷加大，水分遷移不斷進行，土體的膨脹量與對襯砌體產(chǎn)生的凍脹力也相應不斷增大，當凍脹力超過剛性襯砌體的結(jié)構(gòu)強度時，襯砌體便產(chǎn)生法向位移，法向位移超過容許法向位移，襯砌體便遭到凍脹破壞。渠道防滲襯砌形式主要有混凝土預制塊襯砌、混凝土現(xiàn)澆襯砌和砌石襯砌3種形式。根據(jù)多年觀測，渠道的凍脹破壞主要有鼓脹及裂縫、隆起架空、滑塌、整體上臺等4種形式。

2 抗凍脹模式分析及應用

渠道凍脹破壞是襯砌體與基土凍脹性膨脹相互作用的結(jié)果，新疆孔雀河灌區(qū)渠道襯砌中適宜的抗凍脹模式主要是:基土置換墊層、隔熱保溫、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等。

2.1 基土置換墊層

用非凍脹性材料置換一定厚度的凍脹性土，則可將渠道襯砌體的凍脹變形控制在容許的范圍之內(nèi)，從而避免渠道的凍脹破壞，目前采取的置換材料主要是砂礫石。基土置換厚度的確定是置換措施成敗的關鍵，《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范(DL/T5082－1998)》中為設計人員提供了計算公式及公式中各種參數(shù)的取值范圍和確定方法，下面對計算結(jié)果的使用作詳細的闡述。

2.1.1 計算置換厚度

在同一地區(qū)對不同的土質(zhì)和地下水埋深分別進行計算，對結(jié)果進行對比后發(fā)現(xiàn)當土質(zhì)相同地下水埋深不同時，并不是地下水埋深越小，計算置換厚度越大，而是存在地下水埋深對凍脹無顯著影響的臨界值。地下水埋深在臨界值附近時計算置換厚度最大，地下水埋深大于臨界值時計算置換厚度較小且與地下水埋深無關，地下水埋深小于臨界值時計算置換厚度隨著地下水埋深的變小而減小。因此高地下水位地區(qū)渠道凍害較嚴重，但并不是地下水埋深越淺渠道凍害越嚴重，而是地下水埋深在臨界值時渠道凍害最嚴重，采用置換法時所需的置換層厚度最大。

2.1.2 設計置換厚度

用公式計算所得的墊層置換厚度不宜直接作為工程設計置換厚度，應根據(jù)工程的一些具體情況對厚度加以適當調(diào)整再作為墊層設計置換厚度。規(guī)范推薦的計算公式?jīng)]考慮渠道的填挖情況和渠道是否受田間回歸水的影響，工程實踐和理論分析均表明填方渠道凍害較輕而受田間回歸水影響的渠道凍害嚴重。

2.1.3 置換措施的優(yōu)缺點

用砂礫墊層置換凍脹性土是目前新疆孔雀河灌區(qū)最常用的抗凍脹措施，具有設計施工經(jīng)驗豐富、已為大家接受的優(yōu)點，但置換工作量大。從經(jīng)濟上考慮，只適用于渠道附近有較豐富的非凍脹性土的地方，且應保證置換層在凍結(jié)期不飽水和防止在使用期間不受大量的細顆粒污染。

墊層料常選用含泥量小于6%的砂礫石，也可考慮用中粗砂代替砂礫石作置換層。砂墊層宜在凍害較輕的填方渠段使用，避免在受田間回歸水影響的渠段使用;與砂礫石墊層相比墊層厚度要適當加大。

對渠道開挖高程低于地下水位的渠段，置換層在凍結(jié)期因被水浸泡而失效，因此墊層置換法在這種渠段不宜采用。對受田間回歸水影響的渠段置換層易被細顆粒淤塞而縮短工程壽命，應設置防濾層或土工織物對墊層加以保護。

2.2 隔熱保溫

在渠道剛性襯砌體下面鋪設一層受力變形小、隔熱性能優(yōu)良的保溫材料，便可削減或消除渠床基土在冬季的凍脹變形，避免渠道的凍脹破壞。最適合在渠道上使用的新型保溫材料是聚苯乙烯泡沫板。

2.2.1 聚苯乙烯保溫板抗凍脹的性能

具有較好的隔熱性能，其導熱系數(shù)≤0.04 W/(m·℃)，在渠道混凝土下鋪設一層聚苯乙烯泡沫保溫板代替砂礫石墊層，冬季能有效地阻止基土溫度的降低，避免和減輕基土凍脹變形。

2.2.2 聚苯乙烯保溫板抗凍脹的優(yōu)缺點及適用范圍

其在工廠集中生產(chǎn)，質(zhì)量容易控制，埋在地下不受污染，不易變質(zhì)，幾乎適用于任何地質(zhì)條件。同置換法相比，保溫法具有施工方便、適用范圍廣、工程壽命長等優(yōu)點，應優(yōu)先選用，此外與置換法相比在非凍脹性土不豐富的地區(qū)也具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)越性。

2.2.3 聚苯乙烯保溫板在渠道抗凍脹中的應用

希尼爾水庫位于新疆庫爾勒市西尼爾鎮(zhèn)境內(nèi)，水庫進水渠設計引水流量為30 m3/s，加大流量35 m3/s，為梯形斷面結(jié)構(gòu)，渠道底寬2 m，內(nèi)、外邊坡均為 1:1.5，渠深 4m，采用混凝土襯砌(厚度15 cm)與苯板保溫結(jié)構(gòu)(厚度10 cm)。

1)渠道沿線自然條件

(1)土質(zhì)條件。渠線地層以粉土和粘土為主，滲透性能較差，毛細管上升運動強烈。根據(jù)地質(zhì)報告，渠線地層小于0.05 mm 粒徑的顆粒含量 22.6% ～65.5%，由于小于 0.05 mm粒徑的顆粒含量按質(zhì)量比大于總質(zhì)量的6%，屬于強凍脹土。

(2)氣候條件。該地區(qū)多年平均氣溫10.5℃，一月份平均氣溫 －10.4℃，最大凍土深度 0.8 m。

2)苯板保溫層設計

苯板保溫層厚度按SL211－98《水工建筑物抗凍設計規(guī)范》，中小型渠道采用聚苯乙烯板保溫時，其厚度可取設計凍深的1/10～1/15。希尼爾水庫進水渠設計流量為30 m3/s，屬中型工程，本工程設計凍深為80 cm，則苯板厚度為5～8 cm。考慮到苯板受上部襯砌混凝土荷載作用，有效厚度會減小，故全斷面取苯板設計厚度為10 cm。

3)渠道運行情況

希尼爾水庫進水渠自2003年3月中旬投入運行以來。經(jīng)過多個冬、春觀察，渠段基土均為正常，渠道襯砌混凝土板未發(fā)現(xiàn)凸起、錯位、傾斜等凍脹破壞現(xiàn)象，達到了工程設計預期目的。

2.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

近幾年來在孔雀河灌區(qū)節(jié)水工程中，干、支渠道斷面大多采用弧底梯形斷面形式，斗、農(nóng)渠斷面多采用 U形渠槽的斷面形式，與梯形斷面相比，弧形斷面、弧底梯形斷面具有較大的容許法向位移，采用這兩種斷面形式可減輕渠道的凍脹破壞。

3 討論

本文前述了孔雀河灌區(qū)渠道襯砌中適宜的抗凍脹模式:基土置換墊層、隔熱保溫與優(yōu)化結(jié)構(gòu)。由于新疆孔雀河灌區(qū)部分干渠沿河布置，平行且靠近河道的渠道地下水位很高，土渠內(nèi)有明顯的潛流滲出。在干渠襯砌中，為了解決既要開源節(jié)流又防止渠道凍脹等問題，可以嘗試采用混凝土異型磚透水斷面結(jié)構(gòu)形式進行襯砌的試驗應用。采用透水襯砌方式，可解決高標準襯砌渠道既要引取地表水和二次回歸的地下水又要防凍脹的雙重問題。

4 結(jié)語

在各種抗凍脹措施中，置換措施雖然應用最廣泛，但渠道受田間回歸水影響時置換層易被細顆粒淤塞而縮短工程壽命，在非凍脹性土缺乏的地區(qū)采用這種方案工程造價也相對較高。聚苯乙烯保溫板防凍脹是新興的抗凍脹措施，具有適應面廣、投資適中、施工方便、使用壽命長等優(yōu)點，在非凍脹性土缺乏的地區(qū)與置換法相比保溫板方案在經(jīng)濟上也具有明顯的優(yōu)越性，易進行全面推廣。

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1004－1184(2012)05－0167－02

2012－06－21

申蓮(1978－)，女，新疆庫爾勒人，工程師，主要從事水利工程運行管理工作。