干砌塊石襯砌形式在凍脹土及高地下水位渠道中的應用

王進軍

（甘肅省疏勒河流域水資源局昌馬灌區管理處，甘肅 玉門735211）

1 概述

疏勒河流域昌馬灌區屬國家大 （二）型自流灌區，位于甘肅省河西走廊西端疏勒河干流中游。1958年建成，主要承擔著玉門、瓜州兩市縣12個鄉鎮、4個國營農場69.68萬畝農業灌溉任務。昌馬灌區現有骨干輸水渠道92條629km，其中，干渠7條187km，支干渠10條115km，支渠、分支渠75條327km。

這些渠道的運行，成為當地農業生產的生命線。但是，由于工程渠線長，渠道所經地段地質、地形條件復雜，灌區又屬嚴寒氣候區，多年平均氣溫5.8～8.8℃，最低氣溫-29.3℃，最大凍土厚度為150cm。渠道運行中因凍脹破壞的問題時有發生，尤其是穿越高地下水位渠段，渠基土的凍脹敏感性更強，基土凍脹融沉變形對渠底及護坡結構的影響也更為強烈，凍脹破壞更為嚴重。這些凍脹嚴重渠段，以往采用40～70cm厚砂礫石墊層，上鋪設砼預制板，清理污染墊層，對凍脹變形的砼預制板重新襯砌，維修后渠道運行1-2年，仍發生凍脹破壞。每年用于這些渠段維修凍脹破壞的費用占維修總費用的65%左右。因此穿越高地下水位渠道凍脹破壞是必須研究解決的問題。

2 地質情況及凍脹現狀

昌馬灌區穿越高地下水位凍脹渠段主要集中在東干渠及北一支干。東干渠灌溉面積9.99萬畝，設計流量1.91-5.60m3/s,全長52km; 高地下水位集中在（樁號：13+362—20+083km）渠段內，北一支干渠灌溉面積4.04萬畝，設計流量1.78m3/s,全長13.16km，高地下水位集中在 （樁號：0+150—11+475km）渠段。經對這些渠道的地質條件、地下水埋深等情況的調查，這些區段均屬挖方渠段，渠基和渠坡主要置于apLQ粉質壤土或粉質黏土土層，地表1.0m以上鹽堿含量較高，為1.8-7.8g/kg,屬亞硝酸鹽鹽漬土，干密度1.23-1.56g/cm3，細粒土 （＜0.0075mm）含量大于10，厚度大于3m。地下水埋深較淺，僅為0.0～2.0m,渠底有滲水，積水現象，天然含水率15%～29%，毛細上升高度在1.7～2.6m之間，水質較差，對砼硫酸鹽侵蝕性，渠道土基滲水補給量大，詳細情況見表1。

表1 昌馬灌區東干渠、北一支干渠凍脹破壞渠段調查表

發生凍脹破壞的渠段都具有相似的凍脹破壞形式。均為坡腳處預制板膨脹下滑，造成渠底鼓脹隆起，最終導致邊坡砼預制板整體下滑、塌落。如圖1所示。

圖1 東干渠、北一支干渠渠道凍脹破壞狀況

3 凍脹破壞的原因分析

土質、水分、負溫是造成渠道凍脹破壞的主要因素。

1）渠基土質。渠道凍脹嚴重程度與土的凍脹敏感性有關，土中粒徑小于0.0075mm的土粒超過總重量的10%為凍脹土，昌馬灌區東干渠及北一支干渠渠段多為粉質壤土和粉質黏土，均為凍脹土，加之地下水位高，水分補給充分，必然產生較大凍脹量，從而使砼預制板鼓脹下滑、塌落造成破壞。另外，地表1.0m以上鹽堿含量較高，為亞硫酸鹽鹽漬土，含量達到1.8-7.8g/kg,，對砼有強腐蝕性，是造成了砼預制板襯砌體破壞的另外一個原因。

2）地下水及負溫的影響。東干渠及北一支干渠凍脹破壞渠段均為挖方渠道，渠道平均挖深為2.6～5.1m,而渠堤兩側為耕地，耕地灌溉的深層滲漏使渠坡外圍土基有大量的傍水滲入。當冬季停水后，因地下水位較高，加之渠道旁側滲水共同補給，使基土含水率達到40%以上，此時平均氣溫為-7.0℃以下。渠底和渠堤基土凍結，體積膨脹作用下引起的應力超過材料強度時，就會造成渠道襯砌體的破壞。而砼預制板一般厚度為6～8cm,這樣的結構，重量輕、穩定性差、抗凍性差，極易產生凍脹破壞。

4 襯砌斷面形式的選擇

針對以上產生凍脹的因素，在總結經驗的基礎上，對于渠段旁側滲水補給量大，地下水埋深淺，在渠底出漏，地基排水性能弱，且水質對砼預制板有硫酸鹽腐蝕的渠段，通過采用置換凍脹土，增加襯砌體重量的襯砌方式，即采用30cm厚砂礫墊層，10cm厚細砂保護層、土工布（150g/m2）反慮層、30cm厚干砌塊石的襯砌方式（如圖2所示）：一是干砌石襯砌結構在凍融過程中，可以接受一定的法向位移，適應基土的凍脹融沉，有效避免凍脹破壞；二是能夠使渠道停水時和來年解凍后基土的水分及出露地下水及時從干砌石排出，降低基土含水率，從而有效減小基土凍脹；三是增加了襯砌厚度，改善了渠道底部的襯砌結構，提高了渠道的抗凍脹能力。另外，干砌塊石比砼結構更有效抵抗基土和水質中硫酸鹽的侵蝕。

圖2 干襯砌石襯砌斷面

經對昌馬灌區東干渠，北一支干渠采用干砌塊石襯砌斷面形式后運行情況檢查，渠道運行5年以來，未出現嚴重凍脹破壞，效果良好。實踐證明，采用干砌塊襯砌形式，能夠有效解決高地下水位渠道凍脹問題，保證渠道安全輸水，有效降低維修費用，提高工程效益。對具有相似地質條件的灌區渠道，是值得推廣的一種維修改造措施。如圖3所示。

圖3 東干渠、北一支干渠干砌石襯砌渠道

5 干砌石襯砌形式施工要求

干砌石的施工雖工序簡單，但質量控制難度大，只有重視施工質量，才能達到滿意的工程質量和抗凍脹效果。施工中應注意以下幾點要求：

1）保證排水通暢，施工中要做好反慮層，防止淤塞和流土。

2）砂礫料墊層級配及夯填相對密度要嚴格按照設計規范要求選料和施工，保證回填質量。

3）建立施工質量控制與質量體系，嚴格干砌石施工工藝流程和設計要求施工。加大質量抽查力度，做到全過程質量檢查，對不合格的干砌石立即拆除返工，不留隱患。