严寒地区渠道破坏类型分析及处理措施研究

盛 岩，王 丰

(新疆水利水电学校，新疆 乌鲁木齐 830013;2新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049)

1 概况

本工程位于欧亚大陆腹地中心，远离海洋，沿线经过大陆性寒温带，干渠沿线属新生代早期海相沉积物，分布广范围大，使渠道经过沿线地层岩性较为复杂。干渠全长217km。

1.1 气侯特征

气候干燥，春秋两季不明显，冬夏冷暖悬殊，温度相差较大。横穿北部地区，气温受纬度和垂直地带规律的影响，差异显著。据气象站统计，多年平均降水量为100mm;多年平均蒸发量为1844～3500mm;冬季较长，无霜期较短，最大冻土深度达1.97m。

1.2 工程地质

按其工程地质条件特征共分4段:第一段;以石英砂岩、泥质砂岩组成，钙质胶结，干时坚硬，遇水易崩解软化。属中～弱膨胀岩土，渗透系数为6.2×10－5cm/s，属弱透水性。第二段:粘土质砂，5m以下为砂岩、泥质砂岩，渗透系数为6.3×10－5cm/s，属弱透水性，弱膨胀岩。第三段:以砂砾、角砾石土为主，渗透系数为3.2×10－3cm/s，属强透水性。基底以砂岩、泥岩为主，沿节理裂隙面易软化崩解，地下水位2.5－4.5m。第四段:以泥岩块、砂砾石土为主，渗透系数为1.2×10－3cm/s，属强透水性，基底以砂岩、泥岩为主，吸水率高，渠道渗漏影响较大。

1.3 渠水、地下水易溶盐分析

按地质分段进行相应的描述。在第一段干渠的代表性断面处，分别对渠水、地下水取样分析。根据试验资料分析，渠道水质较好，略呈碱性，不具腐蚀性。地下水硫酸根离子含量高，具有强腐蚀性。在第二段干渠的代表性断面处，分别在渠堤、渠基的探坑中取样，其各离子含量偏低，具有弱～中等腐蚀性。在第三段、第四段干渠的代表性断面处，分别在渠堤、渠基的探坑中取样，SO4－2、Cl－的含量较高，具有较强的腐蚀性。

1.4 存在的主要问题

根据实地勘查，填方段主要问题为渗漏破坏。干渠挖方段破坏情况较填方段严重，在挖方段渠道封顶板向上拱起、折断;衬砌板与渠封顶板间出现塌陷变形;渠道水面线附近衬砌六棱块出现波状变形;局部地段衬砌现浇混凝土板下沉变形等。

按地质分段进行相应的描述:第一段:主要表现为渠道过水断面以下衬板发生变形(隆起、下沉)、断裂，水面以上相对较少。第二段:渠道衬板的断裂，集中发生在水下的边坡和弧底中部以及水位变动区。第三段:堤顶出现的纵向裂缝，最大宽度7～8cm。第四段:堤顶处渠道衬板及封顶板下沉及上拱。

2 渠道破坏分析及处理

2.1 冻胀破坏分析

当渠道同时具备3个条件时，即出现冻胀问题:(1)土料中粒径小于0.05mm的土粒含量按重量比大于总土重的6%。(2)冻深:大于标准冻深0.1m。(3)水分:冻结初期土料的含水量大于0.9倍塑限含水量;或地下水位至渠底的埋深小于土的毛管水上升高度加设计冻深［1］-［2］。在渠道的典型断面中，经过分析都已具备了前述的3个条件，因此，存在冻胀破坏现象。渠堤填筑料和渠基岩层均为冻胀土，干渠受其所处地理位置、岩性环境的影响，冻胀已成为渠道破坏的主要因素之一。

2.2 冻胀破坏的防治

目前工程中采用较多的处理措施有减少或消除渠基冻涨结构型式用非冻涨土进行置换、隔水和排水等方法。本工程采用的措施为:一是用非冻涨土置换渠基土，置换深度满足抗冻涨的要求，使衬板与渠基隔离，从而消减渠基的冻涨。二是在刚性衬砌下面铺设防渗层。如铺设塑料薄膜，减少渗水，降低基土含水量，从而消除或减少基土冻胀量;三是在衬砌板下铺设保温层，如铺设聚苯乙烯塑料泡沫板，提高渠基温度，减少渠基冻土层厚度或完全避免渠基土冻结，从而消除渠基冻胀。渠道衬砌各部位冻胀量的不同，置换层深度也不同，渠道阴面置换层大，阳面置换层较小。渠坡最大换填厚度为0.5m、渠底最大换填厚度为0.8m。为防止渠道渗漏水与渠基接触，采用砼板+土工膜的方式进行防渗，渠道结构采用非冻涨土置换+渠坡排水。因渠道本身的渗漏仍然不可避免，因此，设置排水花管作为渠坡渗漏水的通道，有效的避免了冻涨的发生。

2.3 膨胀破坏的分析

从施工期开挖情况看，沿渠线具有膨胀性的岩层从十几米到一千多米长不等，而且分布范围无规律，有的出现在渠底，有的出现在渠坡，也有全断面分布，岩性主要为砂岩、砂砾岩、砂质泥岩、泥质砂岩等，根据实验资料可知泥岩遇水后出现不同程度的膨胀，其中自由膨胀最高达360%。膨胀岩具有遇水膨胀，失水干缩的特点，膨胀土的变化引起渠道边坡的变形，进而影响渠道整体结构的稳定，已成为渠道破坏的主要因素之一。

2.4 膨胀破坏的处理

膨胀的防治目前国内外主要采取“避、治、防”。“避”即在渠道选线时尽可能避开膨胀岩地段;“治”即采用各种措施改变膨胀岩的原有特性，以减免其危害，一般采用掺石灰或掺水泥的方法［3］。“防”是防止膨胀岩与水接触，防止变形过大造成渠道失稳破坏。比较有效的方法是优化渠道防渗结构，加强防渗、设置排水通道。本工程采用了“防排结合”的办法。虽然设置了防止渠道内水外渗和降水入渗导致渠基岩土膨胀的措施，但很难保证完全没有渗水产生，因此，还考虑采用了排水措施，将渗入渠基的内水及外水排出，以削弱渗漏水对渠基的影响。采用复合土工膜进行防渗，排水采用因地制宜，结合地形进行实施，通常采用排水料替换渠基换填料;若当地无较好的排水料时，则采用集中管道排水(渠基排水花管+逆止阀、渠堤集中抽排)的办法处理渗水。防止膨胀岩遇水后对渠道衬板产生膨胀破坏。

2.5 盐胀破坏的分析

盐胀破坏主要发生在较多的渠线土料中。当温度从高向低变化，无论是溶解在土溶液中的，还是以粉末存在的硫酸钠，其体积增大3.1倍［4］，土体即发生盐胀。而当温度从低向高变化或高于32.4℃时，晶体硫酸钠又很快溶解于土溶液中，或恢复到原来的粉末状态，使土体积缩小。如此反复的胀缩，土体结构便发生破坏。使渠道混凝土衬砌板鼓胀、裂缝，其危害程度及形式与冻胀破坏相同。

2.6 盐胀破坏的处理

对于易溶盐的膨胀的防治通常采用化学法和置换法，由于化学法处理相对较复杂，且不易控制添加剂的量，处理质量难以保证［5］。而置换法处理相对较简单，且容易控制。因此，采用了非冻胀土替换渠基盐胀土的置换法进行处理，在渠基换填一定厚度不含易溶盐的非冻胀岩土，使衬板+防渗体与盐胀渠基隔离，处理深度等于设计冻土深。排水措施同冻胀处理方法。结合防冻胀要求，渠基换填1.2m非冻胀土，布置逆止阀，堤顶换填宽度2.5m;深度0.5m，堤顶采用土工膜延伸封顶。

3 结论及建议

(1)渠道沿线普遍具有膨胀、冻胀、盐胀破坏的发生，因此，对渠基进行必要的处理是不可避免的。在确定处理方案时不能单一，需要综合考虑各种不利因素，进行综合防治。冻胀破坏防治是主要矛盾，可在进行防冻胀设计时兼顾考虑膨胀及盐胀的防治。一般对于冻胀、膨胀、盐胀普遍采用了换填措施，同时还要进行全断面的防渗，并在渠底设置纵、横向排水设施。经长年运行观测后，渠道衬板变形破坏基本消失。

(2)如果满足防止渠基冻胀、膨胀、盐胀的要求，就必须使渠基换填土的压实最大干密度达到γd=1.89－1.98g/cm3，饱和抗剪强度 φ=29－35°，C=15－40Kpa;为了防渗材料不产生滑动，必须在膜料下布设砂浆垫层，即可保证减少在施工期膜料遭破坏的几率，又可有效地提高膜表层与渠基的摩擦系数。

(3)渠道混凝土板垫层的选择。由于部分渠段的渠堤、基土(砂岩、泥岩)的土料中普遍含SO4－2离子，并且渠堤大量采用了当地开挖出的砂岩、泥岩碎块料，使SO4－2、Cl－的含量增加，对混凝土和钢筋具有强腐蚀性，因此，砂浆垫层必须采用抗硫水泥。

(4)渠道结构的选择。本工程结构仍采用混凝土板+膜料防渗的方案，混凝土板采用1)现浇砼衬砌结构:采用10cmC20现浇砼板，其下铺复合土工膜，渠基设2.5cm水泥砂浆垫层;2)预制砼衬砌结构:采用6cmC20预制砼板，设2.0cm水泥砂浆保护层，下铺复合土工膜，渠基设2.5cm水泥砂浆垫层。

(5)渠基土的选择。换填料首先考虑尽量利用附近的开挖料，当在开挖料物理力学参数不能满足要求时，填筑料应考虑渠线附近的料场开采，并要满足非冻胀土的要求，同时还要考虑满足排水要求，其控制指标为:粘土压实度P≥98%，非粘性土(砂砾石、含土砂砾石)相对密度Dr≥0.8。

［1］侍克斌，刘后森，邱秀云等.引额济克工程西干渠结构及水力学试验研究述［J］.工程力学(增刊)，1999(10).

［2］董淑芳，董新美.复合土工膜在砌石坝防渗中的应用述［J］.山东建筑工程学院报，2002(01).

［3］宁守家.渠道衬砌防渗抗冻结构设计述［J］.甘肃水利水电技术，2003(04).

［4］郎向东等.现浇混凝土渠道裂缝的成因及防治述［J］.河南水利与南水北调，2007(09).

［5］朱强.我国渠道冻胀防治综述［J］.防渗技术，1996(02).