淺議寶雞峽東五支渠道襯砌工程抗凍脹設計及治理措施

郭曉玲

(陜西省寶雞峽引渭灌溉中心，陜西 咸陽 712000)

1 灌區概況

寶雞峽灌區位于陜西省關中西部，是陜西省最大的灌區。從渭河左岸引水，受益范圍涉及寶雞、咸陽、、楊凌、西安4個市(區)的14個縣(區)，有效灌溉面積約283萬畝，其中自流灌溉面積約占2/3，提水灌溉面積約占1/3。寶雞峽灌區東五支渠灌溉禮泉、秦都、涇陽三縣10.70萬畝農田，全長31.2 km，設計流量2.84 m3/s，1971年建成受益。位于關中西部的渭河二級階地上，屬典型的季節性凍土地區，根據氣象站臺資料，最大凍深30 cm，多年平均凍深18 cm，為防御襯砌渠道基土受其凍脹而破壞，須進行抗凍脹設計。

2 灌區東五支渠道抗凍脹設計

2.1 抗凍脹設計常用參數

2.1.1 標準凍深H0

標準凍深即工程所在地區氣象臺站的多年凍深平均值，該區域標準凍深H0=18 cm。

2.1.2 設計凍深Hd

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23—91)第2.1.3條中的式(1)設計凍深。

Hd=KP·Kd·K2·H0

(1)

式中：Hd為工程設計凍深；KP為頻率模比系數，由《渠系工程抗凍脹設計規范》中的圖2.1.4 KP～H0關系曲線查得，三級建筑物(5%)KP=1.5。Kd為考慮日照及遮陰程度的修正系數。

各部位取值如下：向陽面：Kd=0.65；底面：Kd=1.20；陰面：Kd=1.50；K2為地下水影響系數，按表2.1.6確定，K2=1.0。

根據灌區渠道具體情況，各部位設計凍深計算如下：

向陽面：Hd=KP·Kd·K2·H0=1.5×0.65×1.0×18=17.6 cm

底面：Hd=1.5×1.20×1.0×18=32.4 cm

陰坡面：Hd=1.5×1.50×1.0×18=40.5 cm

2.2 凍脹量計算

《規范》規定：凍脹量應盡量在現場按照工程建成后的土質、水分、溫度及運行條件，進行原型模似測定。實測存在困難時，可用式(2)計算。

地下水深埋地區：凍脹量h=(aP·f·Hd)/100

(2)

式中：ap為荷載修正系數, 對于小型渠道襯砌aP≈1.0；f為土的平均凍脹強度(%)，地下水深埋地區f=d2(ω-β2ωP)。其中，d2為系數，取值0.40；β2為系數，取值0.80；ωP為基土的塑限含水量(%)，東五支實測五組20個試樣的平均塑限含水量20.27%。

ω為日平均氣溫穩定通過0℃前或后5 d內，標準凍深范圍內土的平均重量含水量百分比。該含水量為襯砌工程按設計完建后襯砌板下各部位0℃前后的含水量；其在工程設計階段是難以確定的數值，能參照本區域已建工程的實測資料。

根據1990年陜西省水科所、寶雞峽管理局、陜西省水利廳科教處三單位聯合完成的《大U形砼渠道施工工藝及防滲抗凍效果的研究》資料：對寶雞峽塬上總干渠試驗段的襯砌板后含水量，三次鑿開渠道砼襯砌板，取土樣測定，絕大多數在17%～23%(資料認為該段襯砌工程質量較好，縫內防滲處理也較理想，符合目前的設計要求)。

最終干渠的陽坡、渠底和陰坡在ω=7%～23%之間時的各部位凍脹量計算見表1。從凍脹量計算明顯可知，對一特定地區，標準凍深H0，設計凍深Hd為一定值，而唯一影響凍脹量的因素為基土的凍脹期含水量ω，ω越高，基土的凍脹量就越大。

表1 各部位凍脹量計算表 cm

2.3 判定基土的凍脹類型

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》第2.3.2條地基土凍脹性分類標準，陰坡含水量在23%情況下，最大凍脹量h=1.098 cm，屬Ⅰ類凍脹。

2.4 允許凍脹量計算

該渠道擬采用砼襯砌，根據流量及《規范》第3.2.3條，為襯砌高度小于1.5 m，所以襯砌渠道允許位移值為1.6 cm。

2.5 抗凍脹計算成果分析

東五支地基土凍脹期假定土體含水量23%，其陽坡、渠底、陰坡的土體凍脹量分別為0.477 cm、0.879 cm、1.098 cm，只有14+000～19+893渠段的陰坡凍脹量1.098 cm大于《規范》規定的允許位移量1.0，其余均小于《規范》規定的允許值。

3 抗凍脹治理措施建議

從抗凍脹計算的全過程看：在季節性凍土地區，形成土體凍脹的基本要素是：基土的凍脹性、能夠產生凍脹的含水量和較低的凍結氣溫。這三個因素是襯砌渠道受凍脹以致破壞的充分且必要條件，采用適當的工程措施，使三種因素不具有同時性，基土就不會有凍脹出現，襯砌也就能避免凍脹破壞。通過對東五支渠道進行防凍脹設計，結合計算成果及規范，從適應凍脹、回避凍脹、消減或削除凍脹三個方面綜合考慮，可以采用三種常用的治理方法：

(1)以轉換基土的辦法消除基土所固有的凍脹性。

(2)采用渠道防滲技術最大限度的降低基土的含水量。

(3)采用基土保溫措施，以提高基土的溫度。

結合工程實踐來看，采用轉換基土消除土體凍脹量雖是治本之法，但難以付諸工程實施。而常常采用的，也是行之有效的工程措施則是防滲及保溫兩種。對于地下水埋深較線的地區，防滲措施往往起不到控制基土內含水量的目的，常采用聚苯乙烯泡沫塑料板墊層保溫。對于東五支渠地下水埋深大(大于20 m)可采用防滲工程措施，亦可采用保溫工程措施。前者具有一舉兩得之效，即防滲抗凍又防滲節水，還具有投資小，易施工等特點。而后者則僅為抗凍脹而設，造價大，不易施工。本渠道襯砌設計將選用前者，即采用瀝青玻璃絲布油氈(簡稱瀝青布)鋪貼部分陰坡襯砌板后的防滲工程措施，以降低襯砌板后基土的含水量，減小凍脹量，使其凍脹位移值滿足抗凍脹要求。

4 結語

寶雞峽灌區作為運行近百年的老灌區，面對新時期鄉村振興戰略要求，灌區硬件和軟件條件等方面還存在諸多不足和弱點。各級渠道是灌區的毛細血管和輸水生命線，灌區管理者和技術人員應不斷探索高效合理的渠道運維方式，提高渠道的灌溉過水能力，將有限的水資源盡可能地服務于“鄉村振興”，為新時期鄉村振興戰略做出貢獻。