農(nóng)十師183團東場支渠防凍脹破壞及治理措施

雷佳予

(新疆兵團農(nóng)十師勘測設(shè)計院，新疆阿勒泰 836000)

農(nóng)十師183團東場支渠防凍脹破壞及治理措施

雷佳予

(新疆兵團農(nóng)十師勘測設(shè)計院，新疆阿勒泰 836000)

渠道防滲襯砌凍脹破壞的主要影響因素有渠床土質(zhì)、凍土深度、地下水埋深、襯砌結(jié)構(gòu)形式及材料等。本文根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，結(jié)合凍脹計算結(jié)果，指出選擇合理襯砌材料、襯砌結(jié)構(gòu)、襯砌斷面形式，同時應(yīng)用防滲材料、換填非凍脹性土、隔熱保溫等削減或適應(yīng)凍脹的措施，可以有效防治渠道凍脹破壞。

凍脹破壞;抗凍脹措施;凍脹量;襯砌渠道

1 基本概況

1.1 自然環(huán)境概況

183團地處新疆北部的阿勒泰地區(qū)福海縣境內(nèi)，多年平均氣溫4.1℃，極端最高氣溫40.5℃，最低氣溫－46.7℃，最大凍土深1.8m，無霜期142天。該地區(qū)施工時間，一般都在5～10月底，春秋兩季施工時需要預(yù)防寒冷天氣，準(zhǔn)備防凍設(shè)施。

東場一支渠位于183團東場以北片區(qū)，即216國道以北、額爾齊斯河南岸，該區(qū)地勢比較低，國道以南灌區(qū)地下水向國道以北一支渠片區(qū)滲流，造成該區(qū)地下水位比較高。一支渠長5.07km，控制灌溉面積466.67hm2。

1.2 取樣分析

根據(jù)一支渠取樣，進行顆粒分析報告可知，一支渠1+345～3+250段渠床和渠基取土樣中粒徑小于0.075mm的土粒含量按重量比大于總土重的10%。依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL 211—2006)，渠床土質(zhì)屬于凍脹性土質(zhì)，渠道設(shè)計、施工應(yīng)考慮抗凍脹措施。

1.3 破壞因素分析

根據(jù)調(diào)查，該襯砌渠道凍脹破壞主要因素與渠床土質(zhì)、土體密度、氣溫、地溫、凍土深度、凍脹量、地下水位、渠道走向等有關(guān)。

針對破壞因素進行分析，本地區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹破壞的形式主要有裂縫、隆起、斷裂、滑塌等，由于該區(qū)地下水位比較淺，在持續(xù)低溫作用下，襯砌結(jié)構(gòu)下部基土中水分凍結(jié)，體積增大，土體受到膨脹上漲。在混凝土襯砌板下部，產(chǎn)生一種膠結(jié)力，稱為土與混凝土板之間的凍結(jié)強度［1］，使得混凝土襯砌板與緊接其下部的凍土層表面緊密粘結(jié)，導(dǎo)致混凝土襯砌板阻止凍土層的膨脹上漲變形，當(dāng)凍脹產(chǎn)生的土應(yīng)力達(dá)到混凝土極限強度時，混凝土襯砌板首先發(fā)生破壞，即勾縫發(fā)生裂縫，隨著凍土層的變形繼續(xù)增加，相繼發(fā)生隆起、斷裂、滑塌。

2 抗凍脹計算

平面布置上，一支渠渠線走向接近EW，灌區(qū)屬于中溫帶，根據(jù)氣象資料，灌區(qū)最大凍土深度1.80m。根據(jù)渠道沿線地層剖面揭露情況，渠線穿越的地層主要為低液限黏土，粉質(zhì)含量占40%以上，為凍脹土。因此，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL 211—2006)的要求，進行凍脹深度和凍脹量的計算，為渠床結(jié)構(gòu)的處理提供定量依據(jù)。

2.1 設(shè)計凍深

依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL 23—2006)公式(3.1.3)計算設(shè)計凍深。一支渠設(shè)計凍深計算成果見表1。

表1 一支渠設(shè)計凍深計算成果

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計凍深

基礎(chǔ)設(shè)計凍深指計算點自底板底面算起的凍深，依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL 23—2006)，當(dāng)δc≤0.5m 時，按公式(3.1.6－4)計算：

式中 Zf——基礎(chǔ)設(shè)計凍深，m;

Zd——工程地點的天然設(shè)計凍深，m;

δc——基礎(chǔ)板厚度，m;取值為 0.06m;

δw——底板之上冰層厚度，m，灌區(qū)冬季不運行，故取值為0。

由以上公式計算得：陰面Zf=1.77(m)、陽面Zf=1.25(m)、渠底 Zf=1.59(m)。

2.3 地基土凍脹量

基礎(chǔ)下土的基土凍脹量依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL 23—2006)公式(3.2.3)計算。計算結(jié)果見表2。

表2 支渠基礎(chǔ)凍脹量計算成果

2.4 渠道凍脹量及置換深度

根據(jù)渠道各部位地下水位埋深及設(shè)計凍深，查圖得渠道各部位凍脹量及凍脹級別，具體見表3。

表3 渠道凍脹量及凍脹級別

渠道襯砌結(jié)構(gòu)為梯形預(yù)制混凝土板渠道，根據(jù)規(guī)范，梯形渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)允許法向位移值為0.5～1.0cm，由上表可以看出，渠道凍脹量超出規(guī)范允許值，屬于凍脹土，需考慮工程措施抗凍脹。

渠道常用凍脹土基的處理方法有換填非(弱)凍脹性土和設(shè)保溫層法。?換填非凍脹性土。據(jù)本地區(qū)渠道防滲運行實踐證明，采用戈壁料、粗砂、砂礫石等換基是一種廣泛適用于防治各種凍脹級別的有效措施;?設(shè)保溫層法。采用隔熱材料，如：聚苯乙烯泡沫板或其他特殊襯砌結(jié)構(gòu)，對基土進行保溫以消除或減輕凍深是渠道防滲凍脹襯砌中的另一項有效措施。

根據(jù)183團當(dāng)?shù)亟?jīng)濟條件和現(xiàn)有材料，采用砂礫石作為防凍脹置換料，具有砂礫料豐富、可就地開采、抗凍脹效果好、施工簡單和造價較低等特點。采用設(shè)保溫層法，即加設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料作為防凍脹材料，具有抗凍脹效果好、運距遠(yuǎn)、施工要求精度高等特點。結(jié)合項目取材和經(jīng)濟條件，對渠道采用砂礫石料作為防凍脹料。

渠床置換厚度計算依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL 23—2006)公式(5.1.5)計算。渠床置換深度計算結(jié)果見表4。

表4 渠床置換深度計算

上述計算中，均按最不利工況進行計算，一支渠1+345～3+250段當(dāng)初設(shè)計時未做過換填土，筑堤土料及渠基土料為低液限黏土，凍脹破壞嚴(yán)重。

3 抗凍脹措施

根據(jù)以上計算結(jié)果，并考慮到方便于施工及防凍脹料就地取材等因素，采取以下主要抗凍脹措施：

a.換填措施。主要是換填非凍脹性土，即換填砂礫石料。新疆的試驗結(jié)果表明，渠道基土換填砂礫石料時，可極大地降低渠道凍脹量。由于一支渠渠道斷面比較小，渠深為0.75cm，考慮施工方便和使用效果，對其進行全斷面換填，用非凍脹性土換填現(xiàn)有渠基凍脹土。渠邊坡及渠底均采用1.2m含土砂礫石作為防凍脹措施。

b.選擇抗凍脹結(jié)構(gòu)(剛性結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu))。渠道設(shè)計流量為0.5m3/s，根據(jù)當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗，采用抗凍脹效果好的U形渠槽施工比較困難，根據(jù)設(shè)計渠道斷面，底寬為0.40cm，渠深為0.75cm，采用常用預(yù)制混凝土板梯形斷面。柔性較好的襯砌主要為預(yù)制混凝土板襯砌，在基土凍脹作用下，容易適應(yīng)基土凍脹變形，而不發(fā)生混凝土板結(jié)構(gòu)破壞。

c.隔水、排水措施。根據(jù)當(dāng)?shù)厍婪罎B經(jīng)驗，隔水措施主要采取塑膜、土工布等，減少渠道滲漏對基土的補充;排水措施主要是渠底、渠坡砂礫石反濾層內(nèi)埋設(shè)排水暗管，渠堤外側(cè)開挖排渠等。設(shè)置的排水措施，對降低渠基土壤含水量效果顯著。本項目設(shè)計主要對襯砌斷面用塑膜隔水;排水措施主要是沿渠道縱向在渠底砂礫石濾層中埋設(shè)暗管，在渠道一側(cè)洼地將暗管內(nèi)的集水排出渠堤，降低渠床基土的含水量。在設(shè)計凍深底部沿支渠走向埋直徑30cm、長2.10km的排水花管，將渠底集水排入附近排渠，花管外包裹一層無紡布［2］。

4 實施效果

該工程于2010年秋季施工完成，經(jīng)過近兩年運行效果分析，工程運行良好，沒有再出現(xiàn)襯砌渠道被凍脹破壞現(xiàn)象，說明該工程防凍脹處理措施得當(dāng)且合理。根據(jù)水管運行人員統(tǒng)計分析，年直接可節(jié)約灌溉用水量169萬m3，為當(dāng)?shù)芈毠す?jié)約了灌溉成本。同時，該工程的實施，為當(dāng)?shù)匾r砌渠道凍脹破壞處理提供了有效試驗資料，為同類工程提供了設(shè)計、施工依據(jù)，工程實施效果顯著。

1 童長江，管楓年．土的凍脹與建筑物凍害防治［M］．北京：水利電力出版社，1985：28-31．

2 徐杰．新疆地區(qū)渠道襯砌混疑土抗凍脹設(shè)計［J］．陜西水利，2012(02)：92-94．

Anti-frost Expansion Damage and Control Measures for Tenth Agricultural Division 183 Regiment Dongchang Branch Ditch

LEI Jia-yu
(The Tenth Agricultural Division of Xinjiang Corps Survey and Design Institute，Alta836000，China)

Main influence factors of channel impermeable lining frost expansion damage include channel bed soil quality，permafrost depth，groundwater depth，lining structure and materials，etc．The paper combines frost expansion calculation results on the basis of local conditions to indicate that choosing proper lining materials，lining structure，lining section form and the application of impermeable material，replaced filling of non-frost expansion soil，thermal insulation and other measures to reduce or adapt frost expansion can effectively prevent frost expansion damage．

frost expansion damage;anti-frost expansion measures;frost expansion amount;lining channel

TV91

B

1005-4774(2013)08-0060-03