川西高原渠系工程凍脹原因淺析及試驗段效果評價

年小剛 袁 斌

（四川省水利水電勘測設計研究院規劃設計分院 四川 德陽 618000）

1 工程概況

打火溝水利工程位于四川省甘孜州甘孜縣，工程區屬青藏高原東南緣的高原區，橫斷山脈的東北翼部分，是丘原地貌向山原地貌過渡區。平均海拔3500m以上。灌區由于流域內積雪期長，徑流受融雪（冰）水補給所占比例較大，因此徑流年際、年內、月內、日內變化均受氣溫變化影響。

2 地質條件

2.1 氣候特征

工程區北部有巴彥喀拉山，東部有果拉狼，南部有巍然挺立的沙魯里山脈，雪山環抱。工程區屬于高山寒冷氣候，天氣變化異常，季節性溫差及晝夜溫差變化大，冬季12月份最低溫度可達-26.8℃，最高為21.1℃；3月～4月份最低溫度為-11.5℃，最高為18.3℃。

2.2 工程地質條件

據調查工區冬季存在季節性凍土問題，凍土厚度0.8m～1.2m，河道有浮冰。依據《中國季節性凍土標準凍深線圖》查得，該地區季節性凍土深度為0.8m～1.0m。

工區地下水主要賦存于第四系地層孔隙和基巖裂隙中，接受大氣降水、地表水和上游河水補給。

3 渠道施工概況及渠道變形分析

3.1 施工情況

本工程由于所處高寒地區，季節性溫差變化較大，在寒冷的冬節，因氣候的特殊性，工程無法施工（一般是當年的11月～次年的3月份），為停工待建期。

渠道于2011年的4月動工開挖，5月開始渠道混凝土澆筑，在10月氣溫下降前完成渠道的澆筑和養護。

圖1 凍脹破壞的渠道

3.2 渠道變形調查

梯形挖方明渠，在渠堤的中部或中下部位置出現大量破裂縫和裂紋，部分裂縫張開0.5cm～3cm，錯開約4.5cm；部分裂縫張開1mm～3mm，無錯動跡象。均間斷分布，非連續性，內堤多于外堤。個別位置發現有垂直渠道的橫向裂縫，張開1mm～3mm，無錯開，在排水孔的周圍見有細小裂紋，見圖1。

3.3 變形原因分析

根據對現場各條渠道所處的位置和工程地質條件，以及對部分已澆筑渠道混凝土的變形破壞形式和破壞程度，分析其主要原因是渠基土產生凍脹，而施工中未采取相應的工程或結構處理措施造成的。

3.3.1 物質條件

渠槽組成物質主要為第四系的上更新統冰水堆積層（Q3fgl）和全新統坡積堆積層（Q4dl），局部為全新統坡、洪積堆積層（Q4dl＋pl），其成分主要為粉質粘土、卵礫石土及塊碎石土，其小于0.075的顆粒含量達21.9%～31.5%，細砂粒含量10.2%～19.6%。

3.3.2 地下水

渠道大部分地段是沿山體斜坡地形通過，因此，沿山體斜坡地段通過的渠道（除跨溝段外）雖然地下水較低。但由于渠堤內側冰雪融化，地表水下滲，賦存于土體孔隙中，因季節溫差大，造成凍脹破壞。據探坑揭示：漂卵石土結構中密～密實，透水性強，地下水位隨季節變化較大，枯期地下水位大約在渠基以下1.0m～1.5m。據取樣試驗：渠基土體含水量為19.7%，為整個灌區基土含水量最高的渠段，高于凍土臨界含水量。

圖2 砂礫石墊層的鋪設

圖3 保溫層的鋪設

3.3.3 氣候條件

工程處于高山寒冷氣候地區，冬季最低溫度達-26.8℃，最高21.1℃，每年的3月～4月份最低溫度可達-11.5℃，最高18.3℃。因此，季節性溫差和晝夜溫差較大是該地區建筑物產生凍融破壞的又一主要原因。

4 抗凍脹措施

4.1 置換措施

在凍結深度內將襯砌板下的凍脹性土換成非凍脹性土。砂礫石墊層不僅本身無凍脹，而且能排除滲水和阻止下臥層水分向表層凍結區遷移，所以砂礫石墊層能有效地減少凍脹，防止凍害現象的發生。砂礫石墊層的鋪設見圖2。

4.2 保溫措施

在渠道襯砌體下鋪設隔熱保溫層，阻隔大氣與渠基土的熱量交換，提高襯砌體下基土溫度，消減或消除凍脹，防止發生凍害。保溫層的鋪設見圖3。

4.3 壓實措施

采用壓實措施提高渠床土密度以降低凍脹量是一種簡單易行的方法。壓實法可使土的干密度增加、孔隙率降低、透水性減弱，從而減小渠基土的凍脹變形。

5 試驗段方案的實施

打火溝水利工程是四川省近幾十年來開展凍土區大中型灌溉水利工程的先例。省內在認識存在不足，也沒有可借鑒的成功經驗。根據抗凍脹措施的分析，選取了一段渠道作為試驗段。試驗段基本采取的思路是削減措施。采取了保溫、增加砂礫石墊層及混凝土抗凍結構措施。

渠系工程設計凍深按照SL 23－2006《渠系工程抗凍脹設計規范》式3.1.3計算：Zd=Ψd×Ψw×Zm

分析計算后，設計凍深Zd=1.08m，據現場調查詢問，冬季區內季節性凍土深度0.8m～1.2m，基本吻合。

本渠道為梯形斷面、混凝土板襯砌，其允許法向位移值取0.75cm，計算（凍脹量）大于0.75，需要采取適宜的抗凍脹措施。

板厚按下式計算：

計算得保溫板板厚δx=4cm。

6 試驗段效果分析

試驗段所有明渠邊板和底板均未出現垮塌和折斷，說明渠道混凝土厚度和強度起到了擋土墻的作用，這和治理前是不同的。試驗段局部出現微小裂縫，裂縫寬度均在1mm以下，較之整治前裂縫寬度（均在1mm～5mm，部分裂縫張開0.5cm～3cm，錯開約4.5cm）有明顯縮小。裂縫只是從融雪滲水痕跡判斷出來的，肉眼不易發現。

7 試驗段改進措施

根據對試驗段的評價分析，基本可以判定：地下融雪水賦含于渠道土體，由于氣溫低，地下水結冰，不能排出，渠身周圍凍脹土存在，凍脹問題不能從根本上消除。

基于對試驗段分析，建議在原試驗段基礎上進一步改進，可采取以下幾種措施之一種或措施聯合：

(1)新建段明渠面層混凝土均配置抗裂鋼筋網。

(2)對渠道周圍凍脹土進行置換，增加碎石墊層。減少凍脹力產生的邊界條件。

(3)加大明渠底部排水盲溝尺寸（30cm×30cm），內填碎石。

(4)地下水豐富段，建議取消明渠，改為鋼筋混凝土暗渠，表面覆土。

8 結語

渠系在高海拔季節性凍土地區的凍脹破壞的現象說明渠道在抵抗凍脹方面的不足，試驗段的施工和觀測，為渠系工程在高海拔季節性凍土地區的施工積累了可操作性的工程經驗。陜西水利

[1]GB 50288－99，灌溉與排水工程設計規范[S].

[2]GB50288－99，凍土工程地質勘察規范[S].

[3]SL 23－2006，渠系工程抗凍脹設計規范[S].

[4]SL18—2004，渠道防滲工程技術規范[S].