渠道置換防凍脹標準化技術模式分析

【摘要】作為季節(jié)性凍土地區(qū)一種重要的渠道防凍脹技術手段，置換防凍脹技術在實際應用中仍存在一定的問題。鑒于此，文章提出了渠道置換防凍脹標準化技術模式，并結合新疆渭干河灌區(qū)干渠改造工程部分渠段進行實驗驗證。結果顯示，利用該標準化模式計算得到的置換層厚度精確度較大，與最佳置換層厚度誤差不超過4%，對指導地區(qū)渠道工程建設具有重要意義。

【關鍵詞】季節(jié)性凍土地區(qū)；渠道；置換防凍脹；技術模式

引言

新疆地區(qū)屬于季節(jié)性凍土，渠道多經(jīng)歷凍脹變形破壞，如不采用有效的防凍脹措施，將造成嚴重的水資源浪費，進而影響灌區(qū)農(nóng)業(yè)效益的充分發(fā)揮。季節(jié)性凍土地區(qū)常用的防凍脹措施為換填非凍脹性或弱凍脹性材料，而現(xiàn)階段渠道置換防凍脹結構形式有一定的差異，在相關方面也缺少足夠的技術理論支持。置換層厚度多通過經(jīng)驗公式或借鑒相鄰地區(qū)施工經(jīng)驗來確定，同時現(xiàn)行規(guī)范中的置換比并沒有明確，結果的精度較低。所以，通過確定標準化的渠道置換防凍脹技術模式，將有助于寒冷地區(qū)渠道工程的設計與施工。

1、渠道置換防凍脹標準化技術模式

所謂置換防凍脹標準化技術模式，就是通過規(guī)范結構形式、適用范疇、置換厚度計算、技術要求等內(nèi)容，以最簡便有效的方式提供地區(qū)混凝土襯砌渠道的建設標準。

1.1 標準化結構形式及其適用條件

在對新疆阿克蘇地區(qū)渭干河大型灌區(qū)渠道大量調(diào)研的基礎上，發(fā)現(xiàn)普遍存在凍脹破壞嚴重、過流能力低、防滲能力弱等問題，且凍脹破壞成為渠道損毀的重要因素。結合地區(qū)渠道置換防凍脹技術應用情況，提出渠道置換防凍脹標準化結構形式為“混凝土板過渡層復合土工膜置換層”。應用此標準化結構形式過程中，需要注意兩個方面內(nèi)容：一是渠基土凍脹級別應復合一定標準，一般情況下需超過Ⅲ級或渠基土的凍脹量超過5cm，地區(qū)渠道凍脹破壞嚴重，且當?shù)鼐哂胸S富的沙礫石等非凍脹材料；二是渠道建設以梯形斷面為主，中小型梯形渠道斷面選擇弧形坡腳、弧形底。

1.2 置換層厚度計算

就現(xiàn)階段而言，渠道置換層厚度的確定方法有很多種，包括經(jīng)驗法、數(shù)值模擬和熱阻等效原理。渭干河大型灌區(qū)渠道建設中，置換層厚度的確定往往通過借鑒相鄰地區(qū)的經(jīng)驗值，此種方法應用過程中存在很大的盲目性。通過經(jīng)驗公式法和數(shù)值模擬計算方法計算結果精度不高，會給工程建設帶來諸多不便。為此，文章在結合熱阻等效原理的基礎上，兼顧將渠道允許留置一定厚度的凍土層納入考慮范疇，建立了更加切合實際的熱阻等效方程，方程表達式如下：

渠道設計需消除的凍土層厚度可按照下面計算公式進行：

所以，只要掌握渠道設計凍層深度、渠基土平均凍脹強度、結構形式等參數(shù)，便可通過上式可計算得到渠道置換層厚度，這種方式較其他計算方法更具有實用性、簡便性。

2、渠道置換防凍脹試驗

2.1 渠道概況

新疆阿克蘇地區(qū)渭干河灌區(qū)位于天山南麓， 塔里木盆地平原北部， 其地理坐標為東經(jīng) 80°37～83°59ˊ，北緯 41°06ˊ～42°40ˊ。灌區(qū)年平均氣溫7.1°C， 極端最高氣溫39.7°C， 極端最低氣溫-28.7°C。土壤凍結時間一般從11月5日開始，3月下旬全部解凍，最大凍土深120cm。實驗渠段長度為40m，斷面形式為梯形，底寬1.2m，渠深1.55m；渠道設計流量為3.0～1.0m3/s，邊坡坡比1：1. 5，渠道設計縱坡為 1/1200，糙率0.015，超高為0.43m。

2.2 試驗方案設計

參考標準化結構形式，試驗段結構形式為：渠底和邊坡均采用8cm 現(xiàn)澆砼板厚，砂漿過濾層3cm，土工膜1mm， 置換材料選用砂礫石。按照置換厚度的不同，共設計4種實驗方案：方案1不進行墊層換填，作為對比段；方案2渠道邊坡由渠頂至坡腳換填厚度40～50cm，渠底40cm；方案3渠道邊坡由渠頂至坡腳換填厚度40～50cm，渠底50cm；方案4渠道邊坡由渠頂至坡腳換填厚度50～60cm，渠底50cm。實驗中利用水準儀，觀測渠道陰坡和陽坡三分之一處、三分之二處以及渠底中央凍脹量。

2.3 實驗結果分析

渠道采用防凍脹措施后，地下水位均在渠底以下，渠道凍脹破壞情況得到大幅度的改觀。試驗段渠道走向為南北方向，理論上陰坡與陽坡的凍脹量應該較為接近，但由于土體凍結前對陰坡側農(nóng)田進行灌溉，造成陰坡側土體含水量增加，使得陰坡凍脹量升高。綜合對比種實驗方案可知，方案凍脹量最小，渠底最大凍脹量為0.8cm，不超過規(guī)范允許值。渠底采用 50cm 砂礫石墊層換填， 渠道邊坡由渠頂至坡腳采用50～60cm 砂墊石墊層換填。

3、結語

由經(jīng)驗計算公式得到，渠坡和渠底的設計凍深分別為1.58m、1.36m。而觀測得到，渠道陰坡和陽坡的土壤平均凍脹強度分別為1.86、5.03，渠底為3.9，地下水距渠底1.84m。帶入相關參數(shù)，通過式1-3計算得到渠底的置換層厚度為0.52m，陰坡和陽坡的置換層厚度分別為0.58m、0.52m；而經(jīng)驗公式得到換填砂礫石渠底：50cm，邊坡：陰坡為 50～60cm，陽坡為50cm，誤差不超過4%，達到工程安全運行要求。

參考文獻：

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[2]李根，何武全，宋清林，等.混凝土襯砌渠道置換防凍脹標準化技術模式[J].節(jié)水灌溉，2015，（04）：79-83.

作者簡介：陳紅川，男，（1981.09—），新疆阿瓦提縣人，畢業(yè)于新疆農(nóng)業(yè)大學，工程師，研究方向：水利工程建設與管理。