某大型渠道破壞的成因分析及處理措施

盛 巖，王 豐，侍克斌

(1．新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830000;2．新疆水利水電學校，新疆 烏魯木齊 830013;3．新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 基本情況

工程位于新疆北部，渠線穿越準噶爾盆地的西北邊緣地帶。渠線前段地形為丘陵，由臺地和洼地組成;中后段為戈壁荒漠地帶，地勢較平坦;后段地形多為低山、丘陵。渠線沿等高線伸延，其間有較多的山洪溝。渠道設計引水流量55m3/s，渠道沿線主要的建筑物有:分水閘、進水閘、隧洞、排洪涵洞、渡槽、公路橋及尾部反調節水庫，渠道全長217km。渠道沿線的主要巖性為:(1)第四系的砂礫石、低粘粒含量的沖洪積地層;(2)第四系的黃土、泥巖、砂巖、、中高粘粒含量的沖洪積地層;(3)渠坡開挖面均為砂巖、泥質砂巖;(4)第四系的泥巖、砂巖、砂礫石、風積黃土。

2 渠道存在的主要問題

對渠道歷年產生的破壞現象進行分析統計，歸納如下:

(1)對渠道進行了實地勘查。得知干渠填方段比挖方段損壞輕，填方段主要問題為渠基滲漏，挖方段問題集中表現為:一是渠道封頂板向上拱起并折斷;二是多處六棱塊襯砌板與渠封頂板間出現2～5cm左右的塌陷變形;三是渠道封頂板后部受雨水沖刷出現空洞導致渠道襯砌板塌陷變形;四是渠道水面附近襯砌六棱塊出現波狀變形，局部地段現澆混凝土襯砌板下沉變形等。深挖方段問題集中出現在西干渠18km至19km左右;西干渠二號隧洞進口段;西干渠二號隧洞出口段(45km左右)，堤頂以上受暴雨沖蝕破壞較多。

(2)渠堤沉降導致襯砌板斷裂、滑移或渠壁塌陷等變形破壞。

(3)渠道堤頂沿水流方向出現縱向裂縫(部分挖方渠段)。

(4)局部填方渠道出現嚴重滲漏甚至管涌。

(5)深挖方渠段普遍存在降雨或融雪入滲造成的渠堤沖蝕和淘空現象。

(6)因膨脹、凍脹等土質原因導致的渠壁變形破壞。

(7)在全挖方的泥巖砂巖段，出現的主要的問題是:渠坡基巖成巖性差，堤頂表層鋪有0．2～0．4m厚的含礫土層，防滲質量差，混凝土板下墊層選料級配粒徑不良，壓實度差。另此段渠道為復式斷面，渠邊馬道兩側為高邊坡，當積雪量大時，雪融水順坡下滲至渠道混凝土板下的砂礫石墊層與砂巖、泥質層中，經吸水軟化膨脹，特別是凍融膨脹后，使混凝土防滲板面凸起開裂。同時，水流順裂縫滲流，使板下墊層中細顆粒被帶走，最終局部墊層料被掏空，使渠道襯砌發生破壞。

(8)在填方渠段，渠堤上部填筑料主要是原渠道開挖出廢棄料，與渠底、坡原狀土相同，均為紫紅色泥巖、砂礫巖風化殘積碎屑物，親水粘粒含量高，易溶鹽含量大，自由膨脹率37．4～40%，為典型的膨脹鹽化土，板下巖土吸水凍融膨脹體積增大，使混凝土防滲板面凸起開裂，水流順裂縫沖蝕板下墊層，墊層料被掏空，硫酸鹽對混凝土板具強腐蝕性，使渠板發生破壞。

(9)在半挖半填含易容鹽的巖土渠段，土中易溶鹽含量為1．42%，屬鹽漬土。其中SO2-4含量0．72% ～0．92%，為中鹽漬土，CL-含量稍高，具有較大的吸濕性，持水能力強，而硫酸鹽類吸水后發生結晶，體積發生膨脹，使混凝土防滲板面凸起開裂，水流順裂縫沖蝕板下墊層，墊層料被淘空，使渠板發生破壞。

3 渠道破壞原因分析

在結合工程實際、運行工況、資料收集的基礎上，初步分析認為產生上述問題的主要原因是:

3.1 渠基巖土具有膨脹、泥化等特性

針對渠基巖土性質而言，工程區泥巖普遍具有遇水膨脹、崩解泥化、隨氣候條件變化產生凍脹的特性，另渠基易容鹽在水的作用下，在渠基周圍流失及局部富集形成鹽脹。由于渠基巖土本身具有的這些特性，渠道內水及外水滲入渠基后，如不能及時排出，會導致渠基的局部變形，從而造成襯板的變形和斷裂，甚至產生滑塌。

3.2 換填層壓實度較差

針對渠基換填層而言，為避開泥巖對渠基的影響，原設計方案中普遍采用了換填的工程措施，但根據現場勘察發現，渠道換填層碾壓后的壓實度相對較差，并且，換填層在堤頂防護范圍不足，導致外水滲入，引起換填層的局部變形，從而導致堤頂換填層的塌陷并造成堤頂的縱向裂縫產生。

3.3 渠道防滲層滲水

在渠道防滲段，由于渠道防滲層(膜料)歷經長年運行，局部水滲入渠基，在滲水的作用下導致渠基的局部變形及襯板沿渠底方向滑動。

4 處理措施

4.1 膨脹及鹽漬土的處理措施

膨脹土和鹽漬土對渠道而言，地基承載力一般都能滿足要求，主要影響渠坡變形和穩定。處理膨脹土和鹽漬土的基本方法為“強防滲、緩邊坡、碎鋪砌、底排水”。對渠道的膨脹巖土而言“水”是問題的根源，只要隔離了水的浸入，即可解決問題，因此首先提出“強防滲”。在做好防止渠水滲入的同時，還需考慮防止渠道外的水體通過其它途徑滲入渠道地基。然而在實際工程中，要使渠內和渠道外的水絕對不滲入渠基是不可能的，因此，采用“緩邊坡”是保障渠坡穩定的第二道關鍵措施。在采用大面積的現澆混凝土板防滲時，為了防止由膨脹變形造成對渠坡面板的頂裂破壞，提出“碎鋪砌”，由膨脹產生的張應力被小塊的鋪砌板縫間隙給予釋放，從而保證渠坡護砌不被破壞。考慮到膨脹巖土一般都具備較弱的滲透性，由外界或渠道滲入的水體不容易被排出，形成凍脹破壞。因此，提出“底排水”的措施，使渠體的水及時排出，防止產生凍脹破壞。

4.2 凍脹土的處理措施

水、溫度、凍脹土是形成凍脹的3個基本條件，只要采用必要的工程措施即可防止凍脹的發生。其主要措施有:減少或消除渠基凍脹結構型式、非凍脹土置換、隔水和排水。以下4種方式可消除或減少渠基凍脹:一是改變渠基土質條件，達到消除凍脹的目的;二是在剛性襯砌下面鋪設防滲層，如塑料薄膜，可減少滲水，降低基土含水量，從而消除或減少基土凍脹量;三是在襯砌板下鋪設保溫層，如聚苯乙烯塑料泡沫板，可提高渠基溫度，減少渠基凍土層厚度或完全避免渠基凍結，從而消除渠基凍脹;四是采用非凍脹土置換渠基土，置換深度滿足設計凍深的要求，使襯板與渠基隔離，從而消減渠基的凍脹性。置換法應符合就地取材的原則，其中沙礫石料用于渠基換填層，土料場可用于堤頂防滲層。對渠基為弱膨脹巖土的部分，將渠基換填0．8m厚的非凍脹土，渠底布置0．2m厚的排水料;對渠基為中—強膨脹巖土的部分，將渠基換填1．2m厚的非凍脹土，渠底布置0．2m厚的排水料;五是渠坡采用縱橫排水花管及逆止閥排水，同時考慮換填層厚度滿足最小凍深的要求。

4.3 渠基凍脹破壞的處理措施

目前，常采用的方法就是換填料。大部分置換料都應滿足非凍脹土的要求，嚴格控制換填料中粒徑小于0．05mm的土重占總土重的比例不大于6%，以保證換填砂礫料的防凍要求。對粘性土要求壓實度P≥98%，并且在施工中應嚴格控制此類土的含水率，對非粘性土(砂礫石、含土砂礫石)要求相對密度Dr≥0．8。

4.4 鹽脹土的處理措施

對鹽脹土一般有兩種處理方法即化學法和置換法，但化學法處理相對較復雜，且不易控制添加劑的量，處理質量難以保證。而置換法處理相對較簡單，且容易控制。因此，采用了用非凍脹土替換渠基鹽脹土的方法，處理深度等于設計凍深。渠基換填0．8m非凍脹土，膜下布置縱橫排水管，渠底間隔100m設置逆止閥，堤頂換填寬度2．5m，深度0．5m。堤頂采用復合土工膜延伸封頂。

5 建議

(1)對于地下水位比較高的渠段，采用復合材料防滲的結構型式隔離地下水，同時在渠基結合原有的底排水措施增設了部分逆止閥進行排水。

(2)對于渠道地基含鹽量比較大的渠段，用非凍脹土替換鹽脹土，處理深度應等于設計凍深，至少換填深度在1．2m以上，混凝土采用高抗水泥。

(3)對于凍脹土渠段，采用非凍脹土置換+渠坡排水花管集中排水措施，由渠基橫向排水排出渠基;換填厚度應大于工程區設計凍深。

(4)對于渠基為弱膨脹巖土的渠段，將渠基換填0．8m厚的非凍脹土，渠底布置0．2m厚的排水砂石料，對渠基為中—強膨脹巖土的部分，將渠基換填1．2m厚的非凍脹土，渠底布置0．2m厚的排水料，渠坡采用縱橫排水花管及逆止閥排水，同時考慮換填層厚度滿足最小設計凍深的要求。

(5)推薦最優結構斷面是:預制混凝土板襯砌+復合土工膜的梯形斷面，渠道底寬采用便于機械化施工的最小寬度，防滲采用復合土工膜，渠道邊坡宜緩于1∶2，換填厚度應大于工程區的設計凍深。特殊土體應通過試驗，對參數做必要調整。

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