新疆兵团农六师渠道防冻胀处理方法探究

2012-04-10苑生慧新疆五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司

河南水利与南水北调 2012年24期

□苑生慧（新疆五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司）

1.兵团农六师环境概述

新疆兵团农六师地处新疆维吾尔自治区天山北麓、准噶尔盆地南缘，成片状散布于昌吉回族自治州和五家渠市境内。农六师地处欧亚大陆中心，远离海洋，为典型大陆性气候。区内气候特点是冬季严寒，春季多风，夏季炎热干燥，降水稀少，蒸发强烈。夏、秋季节昼夜温差大、光照充足、热量丰富。由于农六师各团场分散于昌吉州境内，各团场从南部天山山前到北部沙漠，从西到东，地势高差悬殊，气候随着地势高度而变化，形成区内气候的差异性。区域年平均气温2.4～6.6℃，最冷月（1月）的平均气温-12.6～-19.4℃。多年平均降水量为116～180mm。区内降水具有不均匀的特点，即春夏季节（4-9月）降水量约占全年降水量的70%。

兵团农六师的地表水水源主要由13条河流供给，多年平均引地表水5.99亿m3,全师地下水总资源量为7.42亿m3，可开采最4.86亿m3。主要土壤类型有灰漠土、草甸土、钙土、盐土、风沙土等。

2.渠道冻胀破坏机理分析和冻胀原因

通过对已建工程观察，兵团农六师的渠道损害形式主要以冻融破坏为主。原因之一是现有渠道衬砌材料，大多具有一定的吸水性，渠道工程又经常处于水环境状态之下，从而导致渠道砌体、堤岸基土中含有很多水分，这些水分在气温零下时就会冻结成固状物体，其体积发生膨胀，膨胀量为水体的1.20倍左右，并与基土同时膨胀，膨胀的基土受到渠道内刚性衬砌体的制约，就会对衬砌体产生冻胀力，当这种冻胀应力超过衬砌材料抗力时，渠体就随之产生裂缝，增加吸水性和渗漏量，致使砌体结冰冻胀加剧破坏，经过冻结、融化和冻胀应力一次又一次的作用，最后，渠道防渗体就会遭到冻融破坏。

原因之二是土体不仅使初始冻结面的水分冻结膨胀，而且未冻区的水分在表面张力及毛细管作用下，会向冻结区迁移和扩散，使冻结区的水分含量剧增，从而导致冻胀加剧。随着冬季气温的不断下降，基土的冻结深度会不断加大，水分迁移和扩散不断进行，基土的膨胀量不断增大，衬砌体产生的冻胀力也在不断增大，当冻胀力超过渠道衬砌体的结构强度产生的力时，衬砌体便产生不同方向的位移，如果位移超过允许位移时，衬砌体便遭到冻胀破坏。

决定冻胀程度有3个要素：地下水特征、基土含水量和土壤特性，兵团农六师的骨干渠道工程中都不同程度的存在。促成灌区渠道基土冻胀的内因有：土壤颗粒的组成、物理性能指标和水分特征，其外因是长时间的持续低温。如果内、外因同时存在，必然会产生渠道衬砌体冻胀破坏现象的发生。

3.兵团农六师渠道防冻胀措施的优先选择方法

造成渠床基土冻胀的3个要素是相互联系、相互影响的。缺少其中任一要素，渠床基土土体就不会产生冻胀，减少或削弱其中任意一个要素，就会减轻冻胀破坏的效果。兵团农六师为防止渠道衬砌体的冻胀，采取了一系列方法，从土、水、温这3个方面着手，防止冻胀产生破坏。

3.1 换填法

农六师范围内的大部分渠道位于山前冲积平原，渠道沿线的土质一般以低液限粉土或低液限粘土为主，土中粒径<0.075mm的土粒重量一般均超过土样总重量的10%。依据《渠系工程抗冻胀设计规范》，该类土属冻胀性土。为解决该类土的冻胀破坏，农六师一般采取换填渠基土的做法。换填材料一般采用天然砂砾石或风积沙，换填厚度一般为30～40mm。实施后运行效果良好，基本未出现冻胀变形现象。

3.2 柔性防护型法

兵团农六师处于很多河道的下游，受上游河道来水的影响，大部分水库周围的地下水位较高，夏季六月、七月、八月份埋深约为1.5m，冬季埋深在1.8m左右。而这些水库附近的土质类型一般以低液限粉土为主。为解决这些水库引水渠及放水渠冻胀变形，农六师一般采用全断面柔性防护的型式，如雷诺护垫、干砌卵石灌浆型式。两种型式的应用很好地解决了农六师高水位区域渠系的冻胀、变形问题，且减小了维修管护费用。

3.3 排水法

排水法一般分为内排和外排2种，内排主要用于地下水位较高且渠道外侧无排水出路的挖方渠道，外排主要用于地下水位较高但渠道外侧有排水出路的渠道。对于内排，在工程设计中主要在防渗渠道边坡增设排水孔，从而降低渠线的地下水位和基土含水量。对于外排，在工程设计中一般采用纵向排水与横向排水相结合的办法。即在渠道底板以下沿渠道走向首先布置纵向排水管，然后根据排水管的流量及渠道沿途的出路情况设置横向排水管，从而降低地下水位和基土含水量，把渠床冻结层中的重力水及渠道旁渗水排出渠外，有效解决了地下水位较高渠道的冻胀破坏问题。该法所使用的排水体一般采用级配砾石和无纺布包裹PVC花管，纵横向排水管的纵坡及管径应能满足渠线两侧地下水的入渗补给流量。外排虽投资相对较高，但排水效果较好，故农六师范围内一般均采用外排的排水方法。

3.4 间隔梁法

农六师范围内的渠道发生冻胀破坏还与本师各团场的冬灌有关系。冬灌造成渠道防渗结构层下部的渠基土中含水量较高，从而易产生冻胀破坏。针对这种情况，根据渠道纵坡坡降的不同，每隔20～30m，在混凝土双防渠道之间就要增设一个隔梁，这使一个整体的混凝土，被人为的分割成很多个小单元块，这些做法的作用就是控制混凝土冻胀蔓延，甚至到了防冲的目的。该法的应用，大大降低了本地区混凝土渠道的冻胀维修成本。