大安灌區總干渠工程的防凍脹措施

趙 云 李 鵬

（吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林長春 130021）

1 工程概況

大安灌區總干渠為灌區主要輸水渠道，全長28.174km，渠首設計流量為 63.08m3/s，渠道底寬由 26m漸變至 10m。原設計襯砌型式為渠坡采用現澆8cm厚PP纖維混凝土板，板塊尺寸為1.5×1.0米（順水流向為 1.5米，寬為 1.0米)進行襯砌，采用現澆35cm×25cm（深×寬）混凝土底梁固腳，封頂采用30cm×20cm（寬×厚）混凝土板，并與渠坡現澆PP纖維混凝土板相垂直。板塊間采用聚乙烯閉孔泡沫板嵌縫，縫寬1.0cm，底梁每3米設一道伸縮縫，縫間采用硬質聚乙烯閉孔泡沫板嵌縫，縫寬2.0cm。板下部鋪二布一膜，規格為（150g/m2∶200g/m2∶150g/m2），渠底不進行襯砌。PP纖維混凝土板、底梁和封頂混凝土強度等級均為C20，抗凍等級為F200。

2 總干渠凍脹情況

總干渠襯砌工程自2011年10月1日開工后，到2011年10月末，共完成了約11公里（雙側一共）。其中深挖方或全挖方渠道總長13744m，樁號 3+708-10+580，已施工完成了 5140m，分別位于水流向左側(南坡)3+708-3+908、4+308-5+924、6+400-7+414、7+646-8+234、9+139-10+100；右側(北坡)：9+139-10+100。到2012年 3月中旬，發現深挖方段或全挖方段的襯砌板塊（渠坡下部1～4塊部位）出現不同程度的隆起錯縫現象。根據現場發生的情況，對總干渠凍脹原因進行分析，并采取防凍脹措施，以避免2012年冬季再發生類似的凍脹變形，造成不必要的浪費損失。

3 地質情況

3.1 地形地貌

本區地貌按成因類型及形態分為：人工堆積地形(I)、局部沼澤化微波狀崗地(II)及微波狀崗地（III）。

人工堆積地形（I）：地面高程 132.0～137.0m，主要分布于公路、鐵路和已有人工渠道人工堤處。

局部沼澤化微波狀崗地(II)∶地面高程128.0～134.8m，地面平坦開闊，局部地方略低形成較淺洼地，形成積水。分布于該工程區內大部分地區。

微波狀崗地（II）：地面高程 131.20～138.40m，地表微波狀起伏，寬度較大，分布呈島狀、條帶狀，部分已形成淺碟型低洼地。

3.2 地層巖性

灌區揭露地層有第四系全新統人工堆積地層（Q4S）及第四系上更新統沖積堆積地層（Q3gal）和第四系中更新統湖積堆積地層（Q2dl）。

3.3 水文地質

工程區內工作深度范圍內地下水主要類型有上層滯水和第四系孔隙潛水。上層滯水主要賦存于上部含砂細粒土(2-2)和(3-2)層中；孔隙潛水含水層為第四系中更新統湖積堆積的細粒土質砂(3-3)層中，受大氣降水補給，側向徑流向嫰江、查干湖及月亮泡排泄及越層補給孔隙承壓水。勘察期地下水位高程在125-131m。

3.4 工程地質評價

干渠3+708-7+416m多數為挖方段，少數為半挖半填段。設計提供進水口處渠底板高程133.18m，渠頂高程 137.65m，基礎大部分坐落在第四系上更新統沖積堆積黃土狀低液限粘土(2-1)層中，局部坐于含砂細粒土(2-2)層中。邊坡巖性為黃土狀低液限粘土(2-1)。

建議考慮水深和流量選定穩定邊坡，邊坡高大于3m坡度相應放緩，并防止凍脹、凍融和雨水破壞，需設置防護措施。

3.5 結論

大安灌區干渠地下水為第四系松散巖層孔隙潛水，勘察期地下水位高程在 125-131m，普遍低于渠底高程133m。

該段渠道坐落在微波狀崗地上，地層巖性為第四系上更新統沖積堆積黃土狀低液限粘土。該渠段土質具有凍脹、凍融和雨水沖刷破壞的性質。

4 防凍脹措施設計

4.1 渠道凍脹原因分析

經現場勘察，產生變形破壞的主要是全挖方段或深挖方段的渠堤下部，即自堤腳處的1-4塊板不同程度隆起，而且板塊自身沒有裂縫斷開現象。從工程地質說明看，總干渠地下水為第四系松散巖層孔隙潛水，地下水位高程在125-131m，普遍低于渠底高程 133m，地下水位沒有高過渠底；因此，造成渠堤土冬季產生凍脹引起混凝土板變形的主要原因，是渠道通水運行后，堤土因長期浸泡含水量高，處于飽和狀態，在秋季施工前沒有足夠時間將堤內存水降到含水量，從而產生凍脹現象。因總干渠為一干渠試驗區灌溉輸水已經兩年，運行水深在3m左右，下游二干、三干目前不具備通水運行條件，所以，總干渠秋季放空時只能經過一干渠將水排入龍泉泡內。但是，一干渠進水閘閘底板高出總干渠渠底 0.5m，造成總干渠冬季存水。2011年秋季開工建設總干渠防護工程，計劃工期兩年，即2011年10月1日到11月5日，和2012年4月2日到30日完工。工期緊張，施工強度高。工程招標施工隊伍進工地后，9月24日總干渠內依然有存水近0.5m，建設管理單位組織人員和機械設備進行強排，約7天后排干。10月1日正式開工建設。雖然地下水位在渠底下 3-9m，但是渠堤內水的滲透系數小，水位降落緩慢，秋季日蒸發強度3mm/d，所以，只有表層土含水量有所降低。

經過冬季四個月(12月到次年3月)，挖方段渠身受到側向水的補給后，匯到渠堤坡腳處出逸，造成凍脹破壞。

4.2 防凍脹計算

本區為季節性凍土區，一般10月底土層開始凍結，至3月達最大值，歷年最大值為2.30m，4月開化，5月中、下旬化透。同一地點，不同年份的最大凍土深度相差較大。

工程區標準凍深凍土深度為2.0m，依據《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL23－2006）（以下簡稱《規范》）和《水工建筑物抗凍脹設計規范》（SL211-2003）要求，對項目區混凝土襯砌渠道進行抗凍脹計算。

（1）設計凍深計算

本次選取襯砌方案為換30cm砂礫料進行計算，依據《規范》渠系工程設計凍深可按公式①計算：

式中：Zd—渠系工程設計凍深（cm）；Zm—歷年最大凍深，取2.0米（cm）；ψd—考慮日照及遮陰程度的修正系數（ ψd= α + ( 1 - α )ψi），α取0.76，ψi取1.05，經計算ψd為1.012；ψw—地下水影響系數，見《規范》附表；Zwi—計算點的凍前地下水位深度，以渠底換基深度 0.3米為基準，往上依次增加；Zwo—臨近氣象站凍前地下水位埋深（m）。

該灌區地表為連續分布的黃土狀粘土和黃土狀壤土，厚度穩定，滲透系數平均值分別為1.14×10-5cm/s和2.94×10-5cm/s，屬相對不透水層，地下水位埋深多大于 3m（見《大安灌區初步設計報告》）。β—系數，查《規范》取0.79。

（2）凍脹量計算

基礎結構下凍土層產生的凍脹量hf依據《規范》，可按公式②計算：

式中：Zf—基礎下的設計凍深（m），由于基礎板厚度小于0.5米，按下列公式計算：

式中：δc—基礎板厚度（m），取 0.08m；δw—基板之上冰層厚度（m），取0；h—工程地點天然凍土層產生的凍脹量（cm），查《規范》圖 3.2.2-3細粒土質砂、含細粒土砂凍深與凍脹量關系曲線；hf—基礎結構下凍土層產生的凍脹量（cm）。

經計算，渠道下部的第一塊板，雖換填處理后，但仍有8.3cm凍脹變形，第二塊板有4.89cm凍脹變形，第三塊板有4.34cm凍脹變形，到第四塊板以上的變形會逐漸變小，從 1.96cm到0.98cm，滿足抗凍脹規范允許變形的要求。

（3）計算結果匯總

換基后渠道各部位凍土層凍深及凍脹量計算結果詳見表1。

4.3 防凍脹措施

本次防凍脹設計內容為總干渠襯砌工程（0+000～11+124）中半填半挖段，樁號3+708-

10+580，段長6872m，兩側總長13744m，因2011年冬季已施工了5140m，雖發生了凍脹破壞，但隨著天氣的變暖土層融化，大部分隆起的板塊得到恢復，少部分板塊需要拆除后重新鋪設，渠道整體的運行能夠滿足日常灌溉的要求。

總干渠每年于8月20停水之后，由于當地土質為低液限粘土，滲透系數小，為1×10-5cm/s，渠道挖方段及半填半挖段內的水不易排空，為消弱凍脹，同參建各方商議后，決定采取增設排水體加排水孔來將渠堤內的水排出。即將渠道堤腳位置以上4塊板下的渠基進行換填處理，換填材料采用30cm厚級配良好的砂礫石，且每塊板內設置一處D100排水孔，排水孔長0.18米。總干渠防凍脹措施見圖1。

5 結論與建議

經過一年運行，總干渠未再發生凍脹破壞情況，確定襯砌渠道的凍脹量與計算值差距不大，是符合實際的。

從長遠來看，采取置換措施解決防凍脹破壞是比較安全可靠的，但投入較大，因此建議根據凍脹實際情況，對發生凍脹破壞的位置進行置換，并輔助其他排水措施，綜合解決渠道凍脹破壞。

表1 砂礫料換基后渠道各部位凍土層凍深及凍脹量計算表

圖1 總干渠防凍脹措施設計圖