吉林省西部供水工程渠道護砌方案設計

孫方超

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

吉林西部供水工程利用松花江、洮兒河、霍林河、哈達山水利樞紐工程洪水期的豐富水量和嫩江吉林省分水量對吉林省西部地區的湖、泡等實施供水，解決西部地區水資源短缺問題，達到改善西部地區湖、泡周邊區域的生態環境的目的；工程分莫莫格、向海、查干湖和波羅湖四大生態板塊，板塊之間的湖、泡等主要通過渠系設計達到連接貫通目的。工程設計渠道長度總計1646.0km，通過地質勘查和板塊區域內需水測算，渠道需護砌長度計427.0km，因渠道護砌范圍廣，各區域內的工程地質條件、水文地質特性和社會經濟狀況存在差異，渠道護砌的類型和結構型式應因地制宜采用科學合理的護砌技術。

1 護砌渠道需解決的主要難題

吉林省西部屬于北溫帶大陸性季風氣候區，區域內河流較少，分布不均，多為無尾河，氣候干旱，夏季蒸發量大，存在大面積鹽堿化土地和星羅棋布的鹽堿泡沼。另外，工程區域位于高緯度寒冷地帶，季節性凍脹土分布廣泛。通過渠道護砌范圍內沿線地質勘查和室內土工實驗研究分析，護砌方案設計主要面臨兩大難題：①護砌渠道沿線普遍存在季節性凍脹性土，特別是渠道深挖地段，地下水位高，凍脹性土具有充足水源補充，護砌易發生凍脹破壞；②位于吉林省西部蘇打鹽堿地的護砌渠道，鹽漬土具有較強的離散性和弱凍脹性，浸水后土質強度偏軟，在低流速水流作用下能夠發生沖蝕破壞。

2 破壞機理分析

2.1 凍脹破壞機理分析

渠道護砌的凍脹破壞大部分原因為渠堤邊坡(護砌基礎)發生凍脹而產生的凍脹力頂裂或頂起襯砌導致護砌結構發生凍脹破壞。渠基土凍脹是土體中水分凍結后體積膨脹造成的，凍脹效果與土體含水量密切相關。對于非飽和土，土中的孔隙水凍結后產生的膨脹量主要填充土體結構內的孔隙，對土體產生的凍脹量較小，一般不會造成凍脹破壞；但土體凍結過程中具有持續外界水源補給時，因凍結水分遷移形成分凝層會促使土體的凍脹量急劇增大，護砌凍脹破壞幾率增高。對于飽和性土，土中的水凍結成冰時，膨脹量主要作用在土體結構上，一般凍漲量和凍脹力較大，護砌凍脹破壞幾率高。

研究表明土質、水分和溫度是土體發生凍脹必須具備的3個條件，因此渠基土凍脹的發生必須具備以下條件：①具有凍脹敏感性的土質；②土壤含水量超過起始凍脹含水量(對于非飽和土)；③達到土體凍結的負溫并且有一定的持續時間。因此，制定防凍脹破壞措施時，只要能控制其中一個條件就可以減弱或消除渠基土的凍脹，達到防治凍脹破壞的目的。

渠基土凍脹產生的凍脹力是護砌破壞的根本原因，護砌破壞的防治措施主要從消除渠基土凍脹破壞屬性和增加護砌強度至足以抵消渠基土產生的凍脹力。護砌凍脹破壞如圖1所示。

圖1 護砌凍脹破壞

2.2 鹽漬土破壞機理分析

試驗表明吉林省西部地區鹽漬土中存在較多交換性陽離子，形成大量交換性鈉，可與地下水發生交換作用。土中較多的鈉離子、鉀離子、碳酸根和碳酸氫根存在于潛水，潛水的礦化度增強。隨著高礦化度潛水的運移和周圍土體離子頻繁交換，不斷加重碳酸鹽鹽漬土的鹽漬化。土中水分蒸發后，土體結構中存在大量的鈉、鉀離子，并在離子電荷力作用下硬度增強(如圖2所示)，但浸水后電荷力在水離子的作用下消散，土體硬度削弱，抗沖強度降低(如圖3所示)。

圖2 飽和后鹽漬土

圖3 水分蒸發后鹽漬土

因此為消除或降低鹽漬土對護砌的破壞，可綜合考慮以下兩種措施：①降低地下水位，局部降水可使地下水位達到臨界水位以下，使鹽分不能達護砌的基礎表面；②設隔斷層隔斷渠道內部水與鹽漬土內地下水的水力聯系。

3 凍脹土渠基護砌方案設計

根據凍脹破壞機理分析可采取以下措施進行防護：①置換措施:置換措施是在凍結深度范圍內將護砌底的凍脹土換成非凍脹土，一般通過鋪設砂礫石墊層形式。②保溫措施:在襯砌下鋪設隔熱保溫層，阻隔大氣與渠基土的熱交換，提高砌體下基土溫度，削減或消除凍脹，防止發生凍脹破壞。③壓實措施:提高渠床土密度以降低凍脹量。④隔水與排水措施:防止渠水和渠堤上的地表水滲入渠基，隔斷水分對凍結層的補給，以及地下水位高時排除渠基凍脹層的水分。因此，消除或降低護砌基礎的凍脹性是解決護砌凍脹破壞的主要措施，護砌基礎凍脹性消除后，護砌的類型選擇和結構型式設計僅需滿足護砌的基本功用即可。

以乾安縣花道泡連接渠為例：連接渠為深挖方渠道，渠道內地下水位高，渠坡土為季節性凍脹土和鹽漬土，護砌型式為模袋混凝土護砌。為防止模袋混凝土護砌發生凍脹破壞，在渠道底高程以上2m范圍內采用砂礫石置換鹽漬土，同時該范圍內模袋護坡設排水孔，以排除凍土水源補給。砂礫石置換一方面及時排走土中的水分，消弱基礎凍脹土的凍脹性，降低護砌發生凍脹破壞的幾率，另一方面通過砂礫石作為模袋護坡與鹽漬土的隔斷層，避免鹽漬土因毛細水的上升而發生次生鹽堿化；基礎與護砌之間設計無紡布反濾，模袋護坡開孔后采用砂礫石回填并壓實；為增強模袋混凝土整體性以抵抗冰推力，模袋內增設鋼筋；模袋護坡厚度和護砌長度可通過穩定計算確定，結構設計標準斷面圖如圖4所示。

4 鹽漬土地區渠道護砌方案設計

吉林省西部地區鹽漬土主要分布在鎮賚區片、大安區片、洮南區片、通榆區片、前郭區片和乾安區片，根據鹽漬土區片的土壤化學分析結果，各鹽漬土區片的鹽漬土類別分別為：鎮賚、大安片區為硫酸鹽漬土，洮南、通榆和前郭區片為亞硫酸鹽漬土，乾安區片為氯鹽漬土。鹽漬土區片的護砌渠道包括填方渠道、挖方渠道和半填方半挖方渠道的護砌。

圖4 凍脹性渠基護砌設計斷面圖

圖5 鹽漬土填方渠道護砌設計斷面圖

填方渠道區內運行水位一般高于渠道沿線周邊區域內地下水位，渠道護砌除滿足水流抗沖刷要求外，應避免渠內水源補給周邊地下水，以防因地下水位抬高造成附近區域土壤發生次生鹽堿化危害；另外運行水位高于地面，存在浸沒問題。因此，該類型渠道渠底和渠坡運行水位以下部分需采取防滲措施，主要采取以下兩種防滲措施：

措施一：渠底、渠底高程至運行水位加波浪爬高高程范圍內渠道填筑用料采用抗滲系數低的黏性土、壤土等土料，填筑厚度可根據渠道運行水位與地下水位的高差和設計水位運行時間計算確定，防滲效果以滲漏量不能形成地下水補給為控制性指標；運行水位以上可根據運行水位加波浪爬高高程至渠道頂高程范圍可根據需要進行生態護坡設計，加強渠道生態綠化。護砌邊坡設計坡比應通過渠道水力計算、邊坡和護砌穩定計算確定。填方渠道護砌附近區域地下水位低，經過防滲措施處理后地基土不存在鹽漬土凍脹問題，因此護砌型式可根據抗沖能力進行設計選擇，使用PP纖維混凝土板、整體結構性能較強的實心混凝土生態連鎖板塊兩種型式，PP纖維混凝土板的厚度及生態板塊厚度可根據不同渠段的水流沖刷和淘刷破壞程度確定。板塊底部宜設一定厚度的砂礫石找平層和無紡布反濾層。

措施二：渠底、渠底高程至運行水位加波浪爬高高程范圍內渠道采用復核土工膜防滲，渠堤填筑料不具備防滲功用，可以就地取材，減小運距，降低土方單價，進而減少工程投資；為防止土工膜存在缺陷性滲漏導致邊坡失穩可設逆止閥。運行水位以上可根據運行水位加波浪爬高高程至渠道頂高程范圍可根據需要進行生態護坡設計，加強渠道生態綠化，植被類型結合當地土壤類型，合理選擇。填方渠道護砌附近區域地下水位低，經過防滲措施處理后地基土不存在鹽漬土凍脹問題，因此護砌型式可根據抗沖能力進行設計選擇，采用PP纖維混凝土板和實心混凝土生態連鎖板塊兩種型式，PP纖維混凝土板的厚度及生態板塊厚度可根據不同渠段的水流沖刷和淘刷破壞程度確定。板塊與復合土工膜之間宜設一定厚度的砂礫石找平層，結構設計標準斷面圖如圖5所示。

5 結語

渠道護砌關鍵在護砌基礎的性質和護砌結構特性，對于季節性凍脹土和鹽漬土區域內的護砌，其關鍵技術在于護砌基礎的處理。目前成熟的護砌種類和結構型式較多，基本上都能滿足糙率系數和抗沖刷水力要求，有些新型護砌型式可兼顧河道生態和自然環境維護，因此護砌基礎處理措施應根據不同區域的工程地質、水文地質、氣候等影響因素綜合考慮，選擇合理的基礎處理措施，進而保證護砌型式服務周期。