凍土地區渠道治理工程設計—以新疆某渠道工程為例

孟 奇

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 石河子 836800)

0 引 言

灌區渠道工程作為灌區工程的“血管”對灌區水利用效率有較大的影響。早期修建的渠道工程建設標準低下，導致水資源浪費嚴重[1-3]。為了提高灌區水資源利用效率，對該部分渠道工程進行改造是十分必要的。地基土凍脹是影響上部結構安全的一個重要因素，在凍土地區凍土的處理是非常重要的[4-5]。

渠道現狀為土渠，渠道深1.2m-2.5m，邊坡1∶0.5-1∶1.5，縱坡0.7‰。渠道堤頂寬0.4m-5.0m，由于多年的清淤物直接堆積于渠頂，渠頂高低不平，寬窄不一。渠道左右岸大部分為耕地，間歇夾有部分荒地。渠道存在滲漏、沖刷；大部分分水閘為臨時分水口，無閘門，交通設施簡陋，管理道路不通。防滲渠全長2.5km，控制灌溉面積1873畝，主要提供農業灌溉用水，兼具防洪。上游段保護對象為耕地2萬畝，保護人口0.4萬人；下游段保護對象為耕地1.3萬畝，保護人口0.4萬人。

1 渠道橫斷面設計

1.1 斷面形式

目前，灌區內渠道主要采用梯形斷面形式。該斷面類型運行管理方便，施工質量容易控制，施工技術相對成熟，因此本次設計采用梯形斷面。

圖1 梯形渠道典型橫斷面示意圖

1.2 渠道經濟斷面

梯形渠道實用經濟斷面的計算方法，及多泥沙渠道的寬深比斷面兩種方法，并結合現渠道斷面尺寸，最終確定本次改造渠道的斷面結構尺寸。

(1)

b0=2[(1+m2)1/2-m]h0

(2)

A0=b0h0+mh02

(3)

x0=b0+2(1+m2)1/2h0

(4)

R0=A0/x0

(5)

V0=Q/A0

(6)

式中：h0、b0、x0、R0為斷面水深、底寬、濕周、水力半徑，m；n綜合糙率；取0.016；Q為渠道設計流量，m3/s；m渠道內邊坡系數，取1.5；i為渠道比降；A0為斷面面積，m2；V0為斷面流速，m/s。

水力最佳斷面計算結果見表1。

表1 防滲渠水力最佳斷面計算表

實用經濟斷面底寬和水深，計算結果見表2。

表2 防滲渠實用經濟斷面水力計算表

通過比較，在滿足渠道每個分水口取水要求的前提下，渠道采用的橫斷面應該采用渠底寬與渠深相差不大的寬淺式渠道。在此情況下，從經濟、實用方面均是適當得、合理的。鑒于防滲渠水源為河水，泥沙含量多，渠道縱坡較緩，在0.5‰-0.8‰之間，渠道流速也不大，多段渠道流速<不淤流速，造成渠道泥沙沉積，進而影響渠道正常運行。

按照工程量最小且對渠道抗凍較為有利的原則，結合現狀渠道斷面和渠道已改建實施段斷面，本次采用窄深式渠道，0+000-2+500段渠道設計底寬取0.5m、邊坡1∶1.5、渠深1.4m。

3 襯砌形式選擇

根據渠道沿線渠基土地層巖性，項目區渠基巖性為主要為含細粒土砂及黏土，滲透性強，抗沖性能弱，需采取防滲防沖襯砌。

根據本地區已建防滲渠的運行情況，由于渠道坡度小，漿砌石襯砌形式過流能力低，流速較混凝土襯砌形式小，易造成渠道淤積，故本次設計僅進行全斷面現澆混凝土板襯砌形式和邊坡預制、底板現澆兩種方案進行比較：

方案一：全斷面現澆混凝土板襯砌

渠道底寬0.5m，渠深1.4m，邊坡坡比1∶1.5。渠道堤頂寬2m，渠底8cm現澆混凝土板+35cm砂礫石墊層，邊坡8cm現澆混凝土板+35cm砂礫石墊層，邊坡頂設封頂板，封頂板寬30cm，厚8cm，混凝土強度等級C20，抗凍等級為F200。單位投資130.41萬元

方案二：底板現澆混凝土、邊坡預制混凝土板襯砌方案

渠道底寬0.5m，渠深為1.4m，邊坡坡比1∶1.5。渠底采用8cm現澆混凝土板+35cm砂礫石墊層，邊坡采用6cm預制混凝土板35cm 砂礫石墊層，混凝土強度等級C20，抗凍等級為F200。單位投資153.60萬元

從經濟比較結果可以看出，預制混凝土板襯砌方案比全斷面現澆混凝土襯砌投資高23.20萬元，因此本次設計采用全斷面現澆混凝土板形式。

4 抗凍脹設計

根據地質報告標準凍深為0.8m，根據渠道沿線機井的多年水位變化觀測，地下水一般>3 m，工程區內地下水位每年3 月份達到全年最高，11-12月最低，地下水年內變化幅度為0.5-1.0m。渠道沿線的地基土巖性主要為含細粒土砂、黏土為主，由顆分實驗結果可知其粒徑<0.075mm 顆粒含量分別為5.2-8.3%、88.4-97.5%。工程區渠道沿線黏土為凍脹性土(渠基土)，建議渠道設計中對黏土應采取抗凍脹的措施。

工程設計凍深見表3：

表3 設計凍深Zd 計算表

4.2 基礎設計凍深

基礎設計凍深按下式計算：

Zf=Zd-0.35δc-1.6δw

(7)

式中：Zf為設計凍深，m；δw為基礎上面冰厚；本項工程取值為0；δc為基礎板厚。

基礎下土的凍深按下式計算：

Zb=Zf-δc

(8)

式中：Zb為基礎下凍深，m。

基礎下土的凍脹量按下式計算：

hf=h·Zf/Zd

(9)

式中：hf為基土凍脹量，mm；Zw為地下水水位埋深。

基礎下土凍脹量見下表4：

表4 基礎設計凍深Zf、基礎下土凍脹量計算表

經計算結果，可以看出基礎下土的凍脹位移量均超出梯形斷面混凝土板襯砌結構和梯形斷面混凝土板襯砌結構的位移量范圍，該渠道應采取抗凍脹措施。

4.3 渠道抗凍脹措施中材料的選擇

渠道抗凍脹設計采用渠基換填法和苯板保溫法進行比較如下：

1)渠基換填法

根據實際應用情況和實踐經驗，經過計算，渠底和陰坡換填層厚度取20-35cm，為了減少工程量，節約投資，渠坡換填層厚度根據水份運移情況做成變厚形式，渠頂部和陽坡換填層20cm。

2)保溫法

近十幾年來，在國內外有應用聚苯乙烯板解決渠道基土凍結和襯砌板凍脹破壞問題，效果良好。工程設計凍深為陰坡86cm，陽坡69cm，則苯板厚度陰坡為8.6cm-5.7cm，陽坡為6.9cm-4.6cm，結合已有實踐經驗，陽坡苯板厚度為5cm，陰坡為6cm。

3)材料的選定

以砂礫石換填每公里換填量為1660m3，以苯板換填每公里換填量為160m3，砂礫石32.16元/m3，苯板400元/m3，則砂礫石換填5.33萬元/km，苯板換填6.4萬元/km。

通過對上述兩種方案的投資、施工、運行安全及建筑材料等方面的比較，砂礫石方案具有投資少、施工方便等優點，運行管理及其它方面無可比性，比選內容如表5。

綜上所述，選擇砂礫石換填為本工程的抗凍脹設計推薦方案。

5 結 論

新疆地區水資源較為短缺，為了提高灌區水資源利用效率，對既有老化渠道進行改造。根據工程經驗選取梯形斷面適用性較強，根據經濟計算確定渠道的經濟斷面。通過比選采用全斷面現澆混凝土板型式投資低。由于渠道地基土具有較強的凍脹性，為保證渠道的安全，采用砂礫石換填對凍脹土進行處理。

表5 兩方案技術經濟比較表