西北地區高揚程灌區渠道六棱體混凝土板襯砌防凍脹研究

王金恒

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

1 基本情況

1.1 工程概況

景電一期工程地處甘肅省白銀市景泰縣中部，在1969年底開始施工，到1971年底上水，是甘肅省至今50年以來最早建成的大Ⅱ型電力提水灌溉工程，具有跨省區、梯級多、高揚程、流量大等特點。耗資約6 608萬元，該灌區呈長方形形狀，總面積達36 680公頃，其中適宜于農業土地面積約占68%；灌區內地表水和地下水資源十分短缺，灌區從黃河提水。設計流量28.6，加大流量33，建有泵站43座，裝機容量達25.97×104kW，其中主要提灌泵站13座，有6座坐落于總干渠，5座在西干渠，剩余2座位于總二支渠上；建成干、支、斗渠共1 391條，總長2 422 km，總投資8.56億元，工程設計等級為Ⅲ等4級。該工程整體規劃、分期建設。景電一期工程以“高揚程、大流量”而享有盛譽。

1.2 工程改造的重要性和必要性

景電一期工程始建于1969年，當時有很多方面條件制約，工程設計不全面，施工標準低，施工質量相對落后。從剛開始上水年底起，短短幾個月，就有一些渠道發生了不同程度的滲水情況，甚至有地方出現水流跨渠淹沒農田等現象，給灌區造成很大的損失，通水50多年來，渠道的混凝土自然老化，襯砌保護層脫落，滑坡現象日趨嚴重，該工程正常運行已存在安全隱患。因此，為使得工程正常且安全運行，在1996年將一些損壞嚴重的渠段列為“景電一期灌區續建配套與節水改造項目”的重點，每一年都進行檢查和優化。

在中國北方季凍區，渠道的襯砌構件變形或損壞是影響施工效果發揮的主要原因。通過現場研究總結，渠道的襯砌構件變形或損壞形式主要分成兩類：一類是施工質量不過關，制造過程中襯砌結構本身不符合設計標準，從而導致渠面出現裂縫，嚴重渠面還會出現局部塌陷等，相應的渠道防滲能力大大下降，水量損耗嚴重；而另一類是渠床基土不斷發生凍融循環而造成渠道結構變形甚至破壞，原理主要就是“冷脹熱縮”，最終導致襯砌板隆起、折斷、坡面失穩滑動，襯砌結構遭到破壞，該渠道破壞斷面對渠道過水能力有很大不利影響，在工程運行過程中存在很大安全隱患，是現在大多工程單位急需解決的一項重大難題。

2 渠道襯砌變形破壞原因分析

2.1 人為因素

在工程設計階段設計人員沒有對渠道基土進行研究分析，沒有對地下水監測調查，只僅僅做了一些前期的水力計算和普通的襯砌造型設計，導致工程運行過程中襯砌結構破壞；還有一種情況是在設計方案合理的前提下，施工管理人員在施工階段懈怠，沒有嚴格地把控施工質量，造成后期渠道通水后有一定風險。這種渠道襯砌變形破壞，根本原因是設計與施工階段人為造成的。

2.2 凍害類型

景電灌區氣候屬溫帶大陸性氣候，冬天溫度在0℃以下，零下氣溫對渠道襯砌與防滲工程是否良好起著至關重要的作用。渠道破壞主要有凍脹破壞、冰凍破壞和凍融破壞。該灌區的凍脹破壞，分為以下三個階段：

（1）形成階段。凍結期在灌區冬灌停水后就開始了，經檢測，渠道基土水分含量較高，尤其在粘土地段。在季凍區，每年的三、四月份施工過程中不難發現，渠庫基土在此時間段內形成飽和或不飽和凍土層，因為凍土層水量豐富，所以一些地段的凍土層在凍融后產生了膨脹變化表面開裂。因為該階段整體上變形很小，肉眼不容易發現，所以，人們將這一微小的凍脹過程產生的變形忽略不計，假定渠道結構基本是完好的，該過程引發凍脹的各因素相互疊加，是渠道襯砌膨脹隆起、開縫脫落的起始階段。

（2）發展階段。該階段由于土壤、水、溫度等因素耦合作用，凍脹量隨著時間推移逐年增加，裂縫數量及規模也加劇，局部不均勻膨脹愈加明顯，襯砌砼板發生錯動甚至脫落，這一過程就是惡性循環過程。

（3）破壞階段。該階段在不斷凍脹循環的條件下襯砌板發生變形和位移，局部襯砌板會發生破碎，渠道斷面整體發生偏心。經過凍脹過程，凍結層初始融化發生在春灌期間，凍結層下部仍處于凍脹狀態，該凍結層不透水，土體水分達到飽和，土體抗剪強度低，穩定性差，上層未凍結構順著凍結層冰面發生位移，此時，襯砌混凝土板無支撐作用而開始下滑，襯砌混凝土板掉落。該灌區渠道凍脹破壞如下圖1、圖2所示。

圖1 渠道凍脹破壞

圖2 渠道凍脹破壞

在景電工程設計方案中已包含了抗凍脹部分，因為固定投資額有所限制，所以不能完整的消除凍脹破壞現象，襯砌層保護的基土為強凍脹性土質，防滲能力較差，導致土壤中水分含量遠高于初始凍脹時土壤含水量；在溫度零下的冬天，由于凍結作用，土壤中水分開始運移并集中，程度嚴重會出現冰夾層，平常只會出現冰晶體，土體自身發生膨脹，膨脹的程度由各種條件決定，順著渠道斷面表現形式不同，使得渠道發生了變形和破壞，渠道工程的運行年限大大縮短。

3 六棱體混凝土板襯砌的優劣

六棱體混凝土板襯砌渠道是景電灌區引進的一項新技術，渠道護面采用正六邊形混凝土板鋪設，填縫采用聚氯乙烯泥。從渠道襯砌完成后，經過實際運行，效果非常好，六棱體混凝土板襯砌形式簡單，六棱體六條邊縫存在水壓力分散，結構合理，應力相對減少，防凍脹效果非常好，在景電灌區已經開始大力推廣。

3.1 主要優勢

在單位塊體面積相等的情況下，對于等面積的渠道面，鋪設正六邊形混凝土預制板塊，其板塊之間的總縫長度小于鋪設正四邊形所形成的縫隙。正六邊形襯砌板塊與其他各形狀板塊相比，正六邊形襯砌板塊之間的機械咬合作用強，所以在渠道發生凍脹時正六邊形襯砌板塊遭受破壞的程度及范圍就大大減小。綜上，六棱體混凝土板襯砌渠道在保障接縫質量的前提條件下，可以有效降低渠基土壤含水量和控制護面范圍，是一種良好的應對凍脹破壞的襯砌形式。六棱體襯砌結構如圖3所示。

圖3 六棱體襯砌渠道

3.2 渠道防滲抗凍襯砌結構形式設計

在景電一期渠道工程實驗研究經驗證明，渠道表面使用六棱體混凝土板襯砌對降低渠道凍脹有很好的效果，還能防止渠底淤積，不影響水流過流能力，因此這種六棱體襯砌結構該推廣使用。砼板一般為100～150號砼，厚度采用6～8 cm，實踐證明，在3 m/s以下流速板厚6 cm就可以確保安全。更重要的是對基層采取合理的抗凍脹措施：如換填基土（30～60 cm砂礫石）。首先對凍土翻夯使得土質干容重達到最大，再在基土上鋪設土工膜防滲。在西北一些很容易發生凍脹的地區，擋土墻結構非常實用，為方便起見當地要有豐富的石料資源，使用擋土墻結構必須確保襯砌施工質量，否則會發生嚴重滲水。為防止滲水，對渠道表面還可以采用水泥沙漿抹面，景電一期總干渠四至五泵站就采用了之一方法，并且渠道運行多年完好無損。對于地下水位較低的灌區，渠道采用砼與塑性薄膜復式結構，最下層是2～3 cm塑性薄膜，起防滲作用，避免基土含水量高而發生凍脹，過渡層采用50#水泥砂漿，最后在上邊鋪設六棱體混凝土板，六棱體混凝土板厚5～6 cm，混凝土板可以防下滲、防沖刷、防滑塌，對于渠道發生輕微凍脹有較好的適應性，凍融前后渠道表面基本未發生凍脹破壞，但這一方法對于地下水位較高的凍脹區不適合。而對于地下水位較高的灌區，當渠道下基土為粘土或壤土時，由于地下水的影響會發生強凍脹，渠道會發生十分嚴重破壞，這時可以采用砂礫石墊層換填，換填層厚度30～70 cm，換填層上再鋪設不透水薄膜，過渡層采用50#水泥砂漿，表面鋪設六棱體混凝土板，這樣可大幅度降低凍脹量，減少襯砌結構的破壞。以上方案是經實踐證實可以推行的設計方案。

4 結語

在對渠道襯砌凍脹變形的成因分析后，以及實際原型試驗表明，西北地區高揚程灌區渠道表面采用六棱體砼板襯砌結構這一方案可行性高，可以有效地減小渠道凍脹破壞，該設計方案從各方面來說安全、經濟、合理，可以更大程度的增加渠道工作時間。其效益主要有以下幾點：（1）相比較其他形狀襯砌結構，采用六棱體混凝土板襯砌結構更能降低凍脹量，避免渠道破壞。（2）采用六棱體混凝土板襯砌結構可降低水流在渠道運行時的損失率，為農業灌溉額外提供一部分可觀的水量。（3）采用六棱體混凝土板襯砌結構可減少維修費用，確保渠道能夠長周期安全運行。（4）采用六棱體混凝土板襯砌結構可有效防止水流下滲，減小對地下水的補償，降低地下水位，防止或改善土壤鹽堿化。（5）綜合考慮，采用六棱體混凝土板襯砌結構這一方案可以為灌區農業豐收提供保障，推動灌區經濟的繁榮發展。