大安灌区工程渠道衬砌型式的研究

2014-09-03申世吉

水利规划与设计 2014年4期

李鹏赵云申世吉

（吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春 130021）

引言

大安灌区是吉林省近年建设的水利重点工程之一，在粮食安全提到关系国计民生治国安邦头等大事的战略高度的前提下，大型灌区肩负保障国家粮食安全的重要责任。大安灌区建成后，成为吉林省又一大型水稻基地，对强化东北水稻基地，提高稻米的口粮商品率，提高国家粮食安全，具有重要战略意义。

但是，本区的土质为低液限粘土，存在抗冲能力差的特点，在东北的严寒酷暑温差变化大，冻融脱坡及雨水冲涮后边坡出现塌陷情况，轻者使渠道因边坡土堆弃堤脚减小过水断面，降低过水能力，造成下游供水不及时现象，重者会出现渠堤管涌，危害渠道安全运行。所以，对渠系采取衬砌措施，为灌区效益的发挥，对进一步改善农业生产条件，有效提升粮食综合生产能力，保证国家粮食安全具有重大的战略意义。

1 工程概况

（1）气象

大安市多年平均气温为 4.4℃。极端最低气温为-35.8℃，发生在1987年1月。极端最高气温38℃，发生在1979年7月。本区标准冻土深度为2.00m。

（2）土质

本区位于松辽平原中西部，地势东南部高，西北部低，地形平坦开阔；区内地貌类型简单，均为堆积地形，按其成因和形态分为河漫滩和微波状岗地。各渠道绝大部分位于局部沼泽化微波状岗地上，局部位于微波状岗地上，渠基大部分坐在黄土状低液限粘土(2-1)层上。

渠道填筑土岩性均为第四系上更新统冲积堆积的黄土状低液限粘土。

（3）地下水

本区地下水位特点是埋藏较浅，潜水水位略高于承压水水位，潜水的动态变化特征和承压水的变化特征基本一致，说明潜水与承压水有比较密切的水力联系，潜水越流补给承压水。

（4）工程现状

大安灌区灌溉渠系包括总干渠一条，干渠4条，分别为一、二、三干渠和姜家围子干渠，总长65.9km；支渠30条，总长114km；斗渠159条，总长196km；农渠573条，总长483km。

其中除总干渠已于2011年进行衬砌外，只有斗渠3条已衬砌，农渠12条已衬砌。

2 衬砌型式

项目区多为全填方渠道，根据地质资料，渠底填方土多为低液限粘土(2-1)，抗冲能力差，易出现管涌破坏。为防止冻融和雨水破坏，需设置衬砌等工程防护措施。

渠道衬砌工程不仅要满足防渗、护坡、减少糙率的要求，而且要经受冻胀等多种不利因素的考验，因此，渠道衬砌型式必须考虑各种因素的影响。

根据灌区工程渠道护砌工程量大，投资限制，工期紧的特点，结合近几年吉林省哈达山输水总干渠、引嫩入白等工程护砌的经验，经过方案比较如下：

对干渠渠坡、渠底采用PP纤维混凝土板护砌，渠坡板厚8cm，规格1.5m×1m（长×宽），渠底板厚 10cm，混凝土板的规格 1m×1m（长×宽），下铺两布一膜渠道护砌形式。

对支渠渠坡、渠底采用PP纤维混凝土板护砌，渠坡板厚7cm，渠底板厚8cm，规格均为混凝土板的规格1m×1m（长×宽），下铺两布一膜渠道护砌形式。

对斗、农渠渠坡采用现浇PP纤维混凝土板，渠坡、渠底板厚均为6cm。混凝土板块下铺复合土工膜（两布一膜）进行防渗，规格为（500g/m2）。

3 渠道抗冻胀设计

本区为季节性冻土区，一般10月底土层开始冻结，至3月达最大值，4月开化，5月中、下旬化透。同一地点，不同年份的最大冻土深度相差较大。工程区标准冻深冻土深度为2m。

因项目区绝大部分渠系均为填方渠道，这样可使渠基排水充分，防止地下水产生的冻胀对渠基的影响，故选取二干渠桩号 27+000（该段为半填半挖渠段，渠顶132.85m，渠底130.1m，设计水位131.65m，地下水埋深128.1m，底宽9m，内边坡1.75，外边坡1.5）进行抗冻胀计算。

3.1 设计冻深

依据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23－2006）渠系工程设计冻深可按公式①计算：

式中：Zd—渠系工程设计冻深（cm）；Zm—历年最大冻深（cm），取2m；ψw—考虑日照及遮阴程度的修正系数（），α 取 0.76，ψi取1.05，经计算ψd为 1.012；

式中：wψ—地下水影响系数；Zwi—计算点的冻前地下水位深度（根据二干渠地质勘查，该点地下水埋深为128.1m，渠底为130.1，故取值为2m）；Zw0—临近气象站冻前地下水位埋深（m），按最不利取 3m；β—系数，查《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23－2006）取0.79。

3.2 冻胀量计算

式中：Zf—基础下的设计冻深（m）；

Zf= Zd- 0.35δ c - 1.6δ w，δ c—基础板厚度（m），取0.08m；δ w—基板之上冰层厚度（m），取0；h—工程地点天然冻土层产生的冻胀量（cm）。

工程天然状态的冻胀量h可由《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23－2006）图 3.2.2-1黏土冻深与冻胀量的关系曲线查得，也可按公式h =计算；hf—基础结构下冻土层产生的冻胀量（cm）。计算结果见表1：

表1 冻胀量计算成果表

经计算确定衬砌渠道的冻胀量与规范的规定值相比，有一定差距，需考虑防冻胀措施。

3.3 防冻胀结构

对渠道防冻胀处理方式的选择，关系到渠道的造价和施工的难易，必须慎之又慎。渠道衬砌采取的防冻胀措施主要有排水法、换土法和保温法。排水法需要在混凝土衬砌结构以下铺设排水体和排水管道，以排除地下水，降低地下水位，减少渠堤土的含水量。采用排水法施工工艺较为复杂，工程质量难以保证。

故采用了两种形式进行比较：一种型式为渠基换填（即置换法），另一种型式为保温板保温。

（1）置换法

渠基换填型式为渠基换填砂砾石。砂砾石垫层不仅本身无冻胀，而且能排除渗水和阻止下卧层水分向表层冻结区迁移，所以砂砾石垫层能有效减少冻胀，防止冻害现象的发生。但这种换填工程量较大，换填厚度一般要大于等于冻结深度。因此，当冻结深度较大时，应根据冻胀强度沿冻深的分布状况和衬砌结构的允许位移值，计算渠床各部分的置换深度，确定置换断面。渠床各部位的置换深度可按公式[2]计算：

其中：Ze—渠床某部位的置换深度，cm；Zd—渠床某部位的设计冻深，cm；0δ—渠床衬砌板厚度，cm；ε—置换比（%），选取80%。

经计算，渠基需置换砂砾石1.2m。

置换法，由于对渠基进行了彻底换填，当质量达到要求时，可保证渠道永久不受冻胀危害。但考虑工程的实际情况，同时也具有以下缺点：①由于换填厚度大，土方工程量较大，造价较高；②施工难度大，清除了渠基原土，换填后的砂石难以进行夯实，要达到施工规范要求，难度较大；③换填料的质量难以把握。

（2）保温板防冻胀

铺设保温板保温，防止渠基土冻胀也是近年来逐渐采用的一种新型防冻胀处理形式。它只有保温作用，不对基土进行回填。具有以下优点：①抗冻效果好；②施工方便，渠道开挖断面小，不对基土进行扰动，直接将保温板置于基土上，在保温板上直接进行衬砌材料的施工；③在一定条件下造价便宜，使用的施工机械少，人工省。采用保温板，不进行基土换填，避免了大量土石方机械的使用。尤其当基土换填材料运距大于一定距离时，其造价低的优势立即显现。

这里选取两种保温材料做对比，聚苯保温板和聚氨酯保温板。

① 聚苯保温板保温，苯板厚度按设计置换深度的1/10取用，选用12cm厚。

② 聚氨酯保温板。

根据已建松原市哈达山水利枢纽工程中松原灌区输水总干渠采用保温板后的冻胀试验结果表明，阳坡铺设 5cm聚氨酯保温板，阴坡铺设6cm聚氨酯保温板的防冻胀措施起到了很好的效果。

从聚苯板和聚氨酯保温板的材料上看，聚氨酯保温板价格较高，但是聚氨酯保温板的密度为40～45kg/m³，导热系数 0.02w/m·k，吸水率 2%，使用寿命可达 50年以上，而聚苯板的密度为30kg/m³，导热系数 0.039w/m·k，吸水率 2%，使用寿命仅可达15～20年。从保温效果、耐冷热性能、吸水率、使用寿命等几方面考虑，聚氨酯保温板都强于聚苯板。

以二干渠为例，通过经济方案比选，选取聚氨酯保温板作为渠道防冻胀措施。见表2：

表2 防冻胀方案各材料延米投资估算对比表

故对干渠挖方渠段，东西走向干渠阳坡加设5cm聚氨酯保温板，阴坡、渠底加设 6cm聚氨酯保温板，南北走向干渠渠坡、渠底加设 5cm聚氨酯保温板。

对渠道深挖方段，为保证衬砌基础排水顺畅，避免发生冻胀破坏，衬砌结构型式增加渠基渠堤排水措施，即将聚氨酯保温板下的二布一膜改为无纺布。同时，设计每隔6m设置7个φ 63排水孔（其中渠底3个，渠两侧内边坡坡脚各设2个），单根排水管长度为 0.2m，排水管入土侧采用无纺布包封，排水孔需贯穿PP纤维混凝土板及聚氨酯保温板。