甘州区盈科干渠工程冻胀破坏的原因及防治措施

郑辉玲

（甘肃省张掖市甘州区水务局 734000）

1 工程概述

盈科干渠是盈科灌区唯一一条输水干渠，从黑河草滩庄枢纽的东总干渠张家寨分水闸引水，长25.2km，设计流量18m3/s，设计灌溉面积1.5万hm2。由于干渠地处西北严寒地区，最低气温-28.0℃，多年平均冻土层深度120cm，每年11月初封冻，次年3月底解冻，年冻结历时166～188天，经过多年运行，因干渠灌溉面积大，冬灌停水迟，受渠道渗漏和农田回归水影响，冻胀破坏严重，已不能正常运行，被列入国家农业综合开发水利骨干项目改建。

2 工程冻胀破坏现状

根据工程设计地质资料分析，干渠0+000～3+000段为松散砂卵砾石层结构，表层土极薄，大都为砾质土，两岸农田基本与渠顶平齐；3+000～11+000段，渠表面为砂壤土，厚度0.9～1.5m，下部为松散砂卵砾石层结构，含砾质土，极少胶结。该段内有4座小型水电站，挖方深度大于5m，填方高度小于2m，且填方部分大部分为表层土，属冻胀土；11+000～18+000段，表层为砂壤土，中间为粉细砂土，并夹有细砂层，厚度4～20m，下部为砂卵石层结构，两岸农田高出渠岸1～2m，属冻胀性较强地带；18+000～25+200段，表层土壤为砂壤和砾质土，透水性强，3m以下中间夹有粘土层和流砂层，厚度20～25m，以下为卵砾石层结构，沿线干渠挖方深度较大，属强冻胀破坏地段。

在改建中，经过实地勘测渠道冻胀破坏情况，将其划分为严重冻胀、一般冻胀、轻微冻胀和老化破损四级。

a.严重冻胀。砌石及混凝土板的勾缝全部脱落，渠坡鼓胀变形滑动、坍落，渠底上凸，裂缝宽度25～50mm，渠底坍落成复式断面，不能正常通水运行。这类渠占全干渠的20.7%，长5.3km，主要集中在干渠电站前后等地段。

b.一般冻胀。砌石及混凝土板的勾缝大部分脱落，部分渠坡鼓胀变形滑动，渠底开裂，裂缝宽度10～20mm，达不到设计引水能力，已起不到防渗作用。这类渠占全干渠的19.6%，长5km，主要集中在干渠建筑物前后等地段。

c.轻微冻胀。砌石及混凝土板开裂，勾缝部分脱落，渠坡及渠底变形较小，为5～10mm，裂缝宽度小于5mm，能正常引水和基本发挥防渗作用。这类渠占全干渠的46.2%，长11.6km。

d.老化破损。渠坡渠底砌石勾缝基本脱落，裂缝较小，无变形，可正常引水但发挥不了防渗作用，类似于干砌石渠道。这类渠占全干渠的13.4%，长3.3km。

3 干渠工程冻胀破坏原因

3.1 工程质量控制不严

经干渠现场勘测，发现凡属冻胀严重的地段均存在施工时施工质量控制不严、标准不高的问题。具体表现如下：

a.由于干渠早期建设时，《渠系工程抗冻胀设计规范》尚未颁布，原渠衬砌设计的混凝土强度等级、混凝土强度保证率没有考虑冻胀问题，施工时混凝土的拌和、浇筑均为人工操作，振捣不密实，混凝土强度偏低，导致砌体及预制块勾缝砂浆老化，使砌体开裂、脱落，降低了渠道防渗能力，加剧了渠道的冻胀破坏。

有些地方土方开挖尺寸达不到设计要求，垫层厚度小、含泥量高。根据实验，原渠道垫层石含泥量一般为9.2%～19.2%，最高26.5%，远远超过了不大于6%的临界值，且垫层石厚度在0.2～0.3m之间，远达不到规范的要求。故在灌溉水入渗和渠水渗漏至垫层石后不能及时排走，导致垫层石饱和，在气温下降后产生冻胀破坏。

b.有些地方土方开挖尺寸虽然达到设计要求，但回填的不是垫层石而是土，没有达到防冻胀的要求。

c.细粒混凝土砌石中，灌浆不密实，不饱满，出现渗漏通道，使渠道发生冻胀。

d.干渠0+000～0+700段渠底冻胀严重，原因为冬季突击施工，垫层、砌石均存在质量不合格问题。

3.2 灌水方式缺乏科学性

一方面干渠每年从3月中旬开闸放水，直到11月中旬才停水，长时间输水使砌体及周围处于饱和状态，从而创造了冻胀产生的条件；另一方面，由于黑河干流无调蓄工程，河流来水时空分布极不均匀，不能保证农田适时适量灌溉，因而灌区不得不采取春季早开闸、冬季晚闭口的灌水方式，使渗入砌体及其下部土地体中的渗水还没排出就产生冰冻，加快了渠道的冻胀破坏，降低了使用寿命。

3.3 地质构造较差

干渠地处西北严寒地区，最冷月平均气温为-10.3～11.5℃，极端最低气温为-28.0℃，多年最大冻土层深度120cm，年冻结历时166～188天，严寒的气候使所有裸露的物体经受无数次考验，干渠更是首当其冲。地质勘查表明：干渠渠基床物质除0+000～3+000段为松散砂砾石层结构外，其余22.2km长渠段全部落在砂、粉质砂、粉质粘土和粉细砂地层上，按《渠系工程抗冻胀设计规范》要求划分，全部为冻胀性土层。

3.4 管理运行不善

a.电站为增加发电量，不考虑渠道实际流量，只顾加大前池引水流量，使干渠负荷增大，超量引水，溢出渠道的水停留在原地无法渗向别处，产生冻胀。

b.管理单位对干渠冬季维修不及时，使冻胀破坏段得不到及时整治，冻胀隆起的土体不能恢复原来的位置，年复一年使冻土体积比原来增大数倍，导致渠道冻胀破坏。

3.5 灌溉回归水不能及时排出

因干渠渠床中地层岩性颗粒细小，砂壤土、轻壤土、粉质壤土渗透系数小，仅为0.1～0.2m/天，故干渠南岸耕地回归水不能及时下渗至粗颗粒地层或排走，在气温下降后就会发生冻胀破坏，表现最为显著的是干渠阴坡。

4 防治冻胀措施

4.1 采用C15现浇混凝土防渗措施

干渠防渗材料选用现浇混凝土，强度等级为C15，抗冻胀等级为F100，抗渗等级为W4。通过实验室拌和混凝土试块抗压试验，选用和易性好、塌落度为0.55cm的二级配最佳配合比作为施工混凝土配合比，每立方米混凝土中：水泥用量 246kg，5～20mm 石 550kg，20～40mm 石1125kg，砂 654kg（砂率 28%），水 135kg；水泥采用普通硅酸盐水泥。防渗层采用等厚板，渠底厚0.15m，渠坡厚0.12m，封顶厚0.10m。该方案的优点是防渗效果好，抗冲性能好，造价低，使用年限30～50年，施工工序简单，施工方法易掌握。

4.2 采用渠基砂砾垫层料换填措施

根据《渠道防渗工程技术规范》，在强烈冻胀地区，当渠边最大设计冻胀量大于允许冻胀量的2倍时，可采用“渠基换填措施”的规定，经计算工程冻胀量为9.87cm，超过混凝土砌体的允许冻胀量指标，采用砂砾垫层料换填措施，换填厚度：阳坡50cm，渠底80cm，阴坡115cm。换填的砂砾垫层料选用质地坚硬、新鲜，没有风化剥落的天然砂砾石，粒径范围为5～60mm，粒径小于0.1mm的颗粒含量不得大于10%，砂砾垫层料分层加夯压实，压实后干容量不小于1.75t/m3。

4.3 采用渠基排水渗水盲井措施

为将干渠南岸农田回归水下渗至粗颗粒地层排走，在干渠设计中，每隔50m设一渠基地下排水渗水盲井，以利渠坡及渠底渗透水的下渗排泄,使砂砾垫层石中的农田回归水及时排走，渗水盲井长1.0m、宽1.8～2.0m（同渠底宽）、深1.8～2.0m（或挖至砂砾石层），井内回填材料为砂砾垫层石，质量要求同渠道垫层石。

4.4 采取设置冻胀变形伸缩缝措施

为适应渠道冻胀变形，现浇混凝土衬砌渠道，沿水流方向每4m长设一横向伸缩缝，缝形为矩形，缝宽2cm，厚度与衬砌混凝土厚度相同，缝内迎水面填筑3cm厚的聚氯乙烯胶泥，背水面填筑三毡四油。

4.5 选用适应渠道冻胀变形结构断面措施

经方案比选，选用适应变形能力较强的弧形渠底梯形和矩形反拱断面型式，采用全断面整体现浇衬砌。这种断面抗冲能力与渠水流速相适应，冻胀变形后，消融时靠自身可以还原，弧形渠底梯形断面渠道设计流量18m3/s，设计纵坡 1/1000，边坡系数 1∶1.5，圆弧半径 1.12～1.64m，渠口宽5.89～7.10m，渠深1.72～2.05m；在干渠严重冻胀地段，如 18+000～18+260 段、13+700～17+900 段、14+950～15+150段，采用矩形反拱断面型式，渠口宽3m，渠深1.9～2.0m。

4.6 采用老渠上套建新渠、抬高渠底高程措施

改建工程是在原渠上进行衬砌防渗，建设中对严重冻胀地段采用拆除、置换等措施，而对轻微冻胀、一般冻胀段采取在老渠上套建新渠、抬高渠底高程的措施，渠底平均抬高为18～20cm，符合规范要求。

4.7 加强工程施工质量管理

在工程建设中，建设单位严格执行《建设工程质量管理条例》和《水利工程建设管理规定》，全面落实“项目法人责任制、招标投标制、建设监理制、合同管理制”四项制度，建立健全“项目法人负责、监理单位控制、施工单位保证、政府部门监督”的质量保证体系，加强工程建设管理和工程质量管理，干渠改建项目竣工验收时被水利部评为优质工程。

5 结论

从盈科干渠近几年的运行状况看，干渠改建中，采取的C15现浇混凝土防渗、渠基砂砾垫层料换填、建渠基排水渗水盲井、设置冻胀变形伸缩缝、建适应冻胀变形断面的结构、老渠上套建新渠、加强工程施工质量管理等防冻胀综合措施切实可行，解决了盈科干渠抗冻胀技术难题，将渠道的冻胀破坏降低在了最低限度，保证了盈科干渠的正常运行，发挥了干渠工程的输水灌溉效益。