新疆灌溉渠道防滲抗凍脹設計方法研究

劉玉軍

（新疆水利廳金溝河流域管理處 塔城市 832100）

新疆地處亞歐大陸腹地，干旱少雨，水資源供需矛盾尖銳。農業用水量占總用水量的比例居高不下，缺水與浪費現象并存，如何提高農業水資源利用效率是制約新疆國民經濟社會可持續發展的關鍵因素。渠系水利用系數是反映灌區水資源利用效率的重要指標。由于新疆屬于嚴寒地區，混凝土渠道在冬、春之交存在著嚴重的凍脹破壞，導致渠系輸水過重中滲漏十分嚴重。因此，結合阿克蘇市阿依庫勒干渠1#～4#號閘支、斗渠防滲工程的設計，提出新疆灌溉渠系防滲抗凍脹設計方法，旨在為同行提供參考[1-4]。

1 渠道縱斷面設計

根據渠道規劃布置方案確定的設計流量，綜合考慮渠道沿線的地層巖性、地下水埋深、建筑材料分布、現狀渠系建筑物和渠道穩定性等因素，盡量使渠道設計達到工程量最小。因阿依庫勒干渠已改建完，擬防滲改建的渠道從干渠上引水，渠道首端高程已確定。現狀渠道兩側多為樹木和耕地以及居民住房，渠道為老渠改建，受耕地引水高程的限制，渠道縱坡不宜做大的調整，通過方案比選，力求達到以下要求：

（1）保證渠道輸水安全、邊坡穩定，滿足渠道不沖、不淤流速，滿足過水流量暢通無阻。

（2）渠道各渠段之間及建筑物上下游水面曲線平順銜接，水力條件良好，水流穩定。

（3）力求占有耕地較少，工程量較小，施工運用管理方便。

2 渠道橫斷面設計

2.1 橫斷面型式選擇

渠道斷面型式可初步擬定為三種：U型渠道、弧形底梯形渠道和梯形渠道。由于弧形底梯形渠道較梯形渠道施工困難，本次渠道襯砌設計采用兩種斷面進行比選，即混凝土板襯砌U形斷面、混凝土板襯砌梯形斷面防滲。初步設計成果提交阿克蘇地區水利局后，水利局于2008年12月12日組織專家對初步設計成果進行審查，參會專家根據阿克蘇地區近幾年在渠道防滲改造實際運用中的調查總結，一致認為梯形渠道施工方便，使用過程中運行管理方便，渠道破損后易于維修養護。設計組根據專家組對初步設計成果的審查意見，對兩個方案的優缺點和投資等因素進行了進一步的比較，雖然U型渠道投資較梯形渠道節省，但差別較小，結合梯形渠道易于施工、方便管理、易于養護維修等優點，本次設計推薦梯形渠道斷面。

2.2 渠道邊坡系數的確定

本工程共5條渠道，由工程地質報告可知，其中1#閘一支渠、2#閘二支渠 0+000-0+160.21段、4#閘一支干渠0+000-0+350段的渠基土巖性均為角礫，建議渠道邊坡系數1∶1.75～1∶2.0。其余各段渠道的渠基土巖性均為低液限粉土，建議渠道邊坡系數1∶1.5。由于渠基土巖性為角礫的渠道長度較短，施工時要經過夯實，其穩定性增強，為方便施工將其邊坡系數調整為1∶1.5。按國家標準《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288-99）表 6.1.19、表 6.1.22 規定，并參考已建工程，確定采用梯形斷面的混凝土板襯砌方案邊坡系數m=1.50。

（1）防滲設計。

根據本工程地質報告，渠道沿線地層巖性主要由粉土質砂及低液限粉土、粘土組成，具微透水性、中等透水性和強透水性，特別是填方渠堤質量差，滲漏較嚴重，應采取防滲措施。一般防滲材料有混凝土、塑膜、粘土等，隨著近幾年的工程實踐證明，用混凝土板作為防滲材料，有很好的防滲效果，而且使用壽命較長。

（2）防淤、防沖設計。

渠道從老大河上引水，水中含沙量大，老渠道渠線不順暢，縱坡緩，雜草叢生，糙率大，所以在流速較小的渠道淤積較嚴重。本工程解決淤積的措施主要是通過渠線裁彎取直，改善水力條件；縱斷面設計時在保證灌區引水高程的前提下，盡量增大渠道縱坡；采用混凝土板護面，減小渠道糙率。通過以上工程措施，基本上可以解決渠道淤積問題。

本次工程渠道設計流速為（0.61～1.89）m/s，由工程地質報告可知，渠床土質多為低液限粘土或粉土層，其允許不沖流速根據《渠道防滲工程技術規范》（SL18-2004），可按下式計算：

V——渠道允許不沖流速；

V0——水力半徑R=1m時，渠道的不沖流速，取0.6m/s；

R——渠道水力半徑，取V=0.72m/s時，R=0.345m；

α——系數，密實的壤土、粘土取，1/4。

由以上計算公式可知，渠基土的最大允許不沖流速為0.46m/s，小于渠道的設計流速，不能滿足渠道抗沖刷要求。因此，應采取防沖刷措施。混凝土預制板防滲渠道的允許不沖流速小于2.5m/s，現澆混凝土板防滲渠道的允許不沖流速為4m/s，均大于渠道設計流速，因此，本工程防沖護面型式采用混凝土板。

3 渠道防凍脹設計橫斷面設計

3.1 設計原則

本工程共5條渠道，由工程地質報告可知，其中1#閘一支渠、2#閘二支渠 0+000-0+160.21段、4#閘一支干渠0+000-0+350段的渠基土巖性均為角礫，勘察期間未揭露地下水，不采取防凍脹措施，其余各段渠道的渠基土巖性均為低液限粉土，屬于凍土，需要采取防凍脹措施。本渠道在設計上采用以下工程措施以削減凍脹：將渠底凍脹土置換為非凍脹材料；盡量采用填方渠道。

3.2 設計凍深的確定

由工程地質報告可知，工程所在地歷年最大凍土深度為0.62m，選最不利的渠道4#閘一支干渠做為典型渠道進行計算。根據《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL211—2006），設計凍深按下式計算：

式中Zd——設計凍深（m）；

φf——凍深年際變化的頻率模比系數；

ψd——日照及遮蔭程度影響系數；

ψw——地下水影響系數。

3.3 現狀凍脹量的確定

按照《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL211—2006）附錄C的C.0.2條，粘砂性土的地表凍脹量查圖C.0.2-1得到邊坡地表凍脹量△h1=70mm，底部地表凍脹量△h2=65mm，根據表2.0.8土的凍脹性劃分標準，渠道邊坡及渠底中部為Ⅲ級。

3.4 抗凍脹方案比選

對凍脹土基可采用基土換填法或基土保溫法等措施進行處理，對此做兩種方案比選：方案一是基土換填法，一般常用砂礫料和風積沙兩種土料，由于灌區內部基本上沒有風積沙料場分布，而砂礫料分布很廣且儲量大，經取樣分析滿足設計要求，選用砂礫石防凍層；方案二是基土保溫法，采用苯板保溫防凍層。

（1）方案一：基土換填法（砂礫石）防凍層設計。根據現狀調查，本項目區內部有大量天然戈壁料場分布，運距近，儲量十分豐富，且符合換填材料的指標要求，可用來做為抗凍脹材料。

換填深度根據《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL 211-2006）（7.4.1）公式計算確定：

式中Z n——置換深度（m）；

ε——置換比（%）；

Zd——置換部位的設計凍深（m）；

δ0——襯砌板厚度（m）。

渠底和渠坡的置換比是根據渠道規模、走向、地下水埋深和土質不同綜合分析按規范中的表7.4.1確定，渠底按60%置換，邊坡按50%置換，計算渠底置換Z n=0.41m，邊坡置換Z n=0.34m。根據當地已成功的工程經驗，確定渠底置換50 cm，邊坡置換為（40～50）cm。

（2）方案二：基土保溫法防凍層設計[5、6]

基土保溫法是通過消除基土凍脹過程中的負溫因素，從而避免渠道凍脹破壞的發生，渠道工程中通常采用聚苯乙烯泡沫板。根據《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL 211—2006）中第7.4.3條對保溫板的厚度要求：中小型渠道，采用聚苯乙烯板保溫時，其厚度可取設計凍深 Zd的 1/10～1/15，即（11～7）cm，根據氣候特點，結合當地工程的成功經驗，取苯板厚度為6 cm。經市場調查，阿克蘇市苯板價格：250元（15 kg/m3），280 元（18 kg/m3），根據規范要求，渠道保溫苯板密度為（18～20）kg/m3，本工程取 18 kg/m3。

（3）方案優選。

對砂礫料及苯板兩種抗凍脹設計方案，分別從投資、施工及當地建材應用等方面進行比較。方案一具有土方填挖量較大、施工工藝簡單的特點，可以充分利用當地天然建材，扶持當地砂石料篩分企業，而且工程投資較小。方案二雖土方填挖量較小，但工程投資較大，施工工藝復雜，從附表可看出，方案二比方案一防凍設計投資高6.52萬元/km，綜合考慮渠道防凍墊層推薦方案一。

附表 防凍設計方案經濟比較表

3.5 工程實施以后基土凍脹量評估

基礎下的基土（砂性土）凍脹量按《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL 211—2006）中式（C.0.3）計算，計算如下[7]：

式中 △h’——基土凍脹量（mm）；

αp——荷載修正系數，計算得αp=0.7189；

β——查表得β=0.003；

p——計算點地基的荷載強度，為120 kPa；

Zb——基礎下的設計凍深（m）；

Zd——設計凍深（m）。

經計算基礎下的基土凍脹量：道邊坡為3.75mm；渠底中部為3.83mm均滿足規范要求。

4 結 語

在渠系規劃布置中，雖然注意了選用較優的渠線，但要完全避開地質條件差的地段，則難以辦到，故需改善其工程地質及水文地質條件。如采用泡水壓實法即使松散，多孔隙的土層預先得到濕陷，變得較密實和穩定，使渠床土壤密實和穩定，以減輕凍脹變形。同時，可以查出渠床的洞穴、滑坡、塌方等隱患，并可以及時處理。所以，渠道在設計環節可以緩解渠道輸水下來率低下的形勢，但要進一步提高輸水率則需要從渠系規劃做起。

1 郭忠.大型渠道混凝土襯砌防滲中機械化成型技術的研究[D].南京：河海大學，2006.

2 McKinney D C.Cai X.Linking GIS and water Resource management models：an method an obj-ectoriented method[J].Environmental Model-ing and Software，2002，17（5）：413-425.

3 毛德華，等.西北地區水資源與生態環境問題及其形成機制分析[J].自然災害學報，2004（4）：55-61.

4 粟曉玲，康紹忠.干旱區面向生態的水資源合理配置研究進展與關鍵問題[J].農業工程學報，2005（1）：16-172.

5 余書超.保溫型剛性護面渠道設計[J].農田水利與小水電1993（11）：33-36.

6 余書超.一種理想實用的防凍保溫層[A].第五屆全國冰川凍土學會論文集[C].1996：303-306.

7 王俊發，馬旭，周海波.混凝土襯砌渠道凍脹破壞的機理及力學分析[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2006（2）：25-28.