某大型渠道破坏的成因分析及处理措施

2015-04-05侍克斌

水利规划与设计 2015年2期

盛岩，王丰，侍克斌

(1．新疆农业大学，新疆乌鲁木齐 830000;2．新疆水利水电学校，新疆乌鲁木齐 830013;3．新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐 830049)

1 基本情况

工程位于新疆北部，渠线穿越准噶尔盆地的西北边缘地带。渠线前段地形为丘陵，由台地和洼地组成;中后段为戈壁荒漠地带，地势较平坦;后段地形多为低山、丘陵。渠线沿等高线伸延，其间有较多的山洪沟。渠道设计引水流量55m3/s，渠道沿线主要的建筑物有:分水闸、进水闸、隧洞、排洪涵洞、渡槽、公路桥及尾部反调节水库，渠道全长217km。渠道沿线的主要岩性为:(1)第四系的砂砾石、低粘粒含量的冲洪积地层;(2)第四系的黄土、泥岩、砂岩、、中高粘粒含量的冲洪积地层;(3)渠坡开挖面均为砂岩、泥质砂岩;(4)第四系的泥岩、砂岩、砂砾石、风积黄土。

2 渠道存在的主要问题

对渠道历年产生的破坏现象进行分析统计，归纳如下:

(1)对渠道进行了实地勘查。得知干渠填方段比挖方段损坏轻，填方段主要问题为渠基渗漏，挖方段问题集中表现为:一是渠道封顶板向上拱起并折断;二是多处六棱块衬砌板与渠封顶板间出现2～5cm左右的塌陷变形;三是渠道封顶板后部受雨水冲刷出现空洞导致渠道衬砌板塌陷变形;四是渠道水面附近衬砌六棱块出现波状变形，局部地段现浇混凝土衬砌板下沉变形等。深挖方段问题集中出现在西干渠18km至19km左右;西干渠二号隧洞进口段;西干渠二号隧洞出口段(45km左右)，堤顶以上受暴雨冲蚀破坏较多。

(2)渠堤沉降导致衬砌板断裂、滑移或渠壁塌陷等变形破坏。

(3)渠道堤顶沿水流方向出现纵向裂缝(部分挖方渠段)。

(4)局部填方渠道出现严重渗漏甚至管涌。

(5)深挖方渠段普遍存在降雨或融雪入渗造成的渠堤冲蚀和淘空现象。

(6)因膨胀、冻胀等土质原因导致的渠壁变形破坏。

(7)在全挖方的泥岩砂岩段，出现的主要的问题是:渠坡基岩成岩性差，堤顶表层铺有0．2～0．4m厚的含砾土层，防渗质量差，混凝土板下垫层选料级配粒径不良，压实度差。另此段渠道为复式断面，渠边马道两侧为高边坡，当积雪量大时，雪融水顺坡下渗至渠道混凝土板下的砂砾石垫层与砂岩、泥质层中，经吸水软化膨胀，特别是冻融膨胀后，使混凝土防渗板面凸起开裂。同时，水流顺裂缝渗流，使板下垫层中细颗粒被带走，最终局部垫层料被掏空，使渠道衬砌发生破坏。

(8)在填方渠段，渠堤上部填筑料主要是原渠道开挖出废弃料，与渠底、坡原状土相同，均为紫红色泥岩、砂砾岩风化残积碎屑物，亲水粘粒含量高，易溶盐含量大，自由膨胀率37．4～40%，为典型的膨胀盐化土，板下岩土吸水冻融膨胀体积增大，使混凝土防渗板面凸起开裂，水流顺裂缝冲蚀板下垫层，垫层料被掏空，硫酸盐对混凝土板具强腐蚀性，使渠板发生破坏。

(9)在半挖半填含易容盐的岩土渠段，土中易溶盐含量为1．42%，属盐渍土。其中SO2-4含量0．72% ～0．92%，为中盐渍土，CL-含量稍高，具有较大的吸湿性，持水能力强，而硫酸盐类吸水后发生结晶，体积发生膨胀，使混凝土防渗板面凸起开裂，水流顺裂缝冲蚀板下垫层，垫层料被淘空，使渠板发生破坏。

3 渠道破坏原因分析

在结合工程实际、运行工况、资料收集的基础上，初步分析认为产生上述问题的主要原因是:

3.1 渠基岩土具有膨胀、泥化等特性

针对渠基岩土性质而言，工程区泥岩普遍具有遇水膨胀、崩解泥化、随气候条件变化产生冻胀的特性，另渠基易容盐在水的作用下，在渠基周围流失及局部富集形成盐胀。由于渠基岩土本身具有的这些特性，渠道内水及外水渗入渠基后，如不能及时排出，会导致渠基的局部变形，从而造成衬板的变形和断裂，甚至产生滑塌。

3.2 换填层压实度较差

针对渠基换填层而言，为避开泥岩对渠基的影响，原设计方案中普遍采用了换填的工程措施，但根据现场勘察发现，渠道换填层碾压后的压实度相对较差，并且，换填层在堤顶防护范围不足，导致外水渗入，引起换填层的局部变形，从而导致堤顶换填层的塌陷并造成堤顶的纵向裂缝产生。

3.3 渠道防渗层渗水

在渠道防渗段，由于渠道防渗层(膜料)历经长年运行，局部水渗入渠基，在渗水的作用下导致渠基的局部变形及衬板沿渠底方向滑动。

4 处理措施

4.1 膨胀及盐渍土的处理措施

膨胀土和盐渍土对渠道而言，地基承载力一般都能满足要求，主要影响渠坡变形和稳定。处理膨胀土和盐渍土的基本方法为“强防渗、缓边坡、碎铺砌、底排水”。对渠道的膨胀岩土而言“水”是问题的根源，只要隔离了水的浸入，即可解决问题，因此首先提出“强防渗”。在做好防止渠水渗入的同时，还需考虑防止渠道外的水体通过其它途径渗入渠道地基。然而在实际工程中，要使渠内和渠道外的水绝对不渗入渠基是不可能的，因此，采用“缓边坡”是保障渠坡稳定的第二道关键措施。在采用大面积的现浇混凝土板防渗时，为了防止由膨胀变形造成对渠坡面板的顶裂破坏，提出“碎铺砌”，由膨胀产生的张应力被小块的铺砌板缝间隙给予释放，从而保证渠坡护砌不被破坏。考虑到膨胀岩土一般都具备较弱的渗透性，由外界或渠道渗入的水体不容易被排出，形成冻胀破坏。因此，提出“底排水”的措施，使渠体的水及时排出，防止产生冻胀破坏。

4.2 冻胀土的处理措施

水、温度、冻胀土是形成冻胀的3个基本条件，只要采用必要的工程措施即可防止冻胀的发生。其主要措施有:减少或消除渠基冻胀结构型式、非冻胀土置换、隔水和排水。以下4种方式可消除或减少渠基冻胀:一是改变渠基土质条件，达到消除冻胀的目的;二是在刚性衬砌下面铺设防渗层，如塑料薄膜，可减少渗水，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，如聚苯乙烯塑料泡沫板，可提高渠基温度，减少渠基冻土层厚度或完全避免渠基冻结，从而消除渠基冻胀;四是采用非冻胀土置换渠基土，置换深度满足设计冻深的要求，使衬板与渠基隔离，从而消减渠基的冻胀性。置换法应符合就地取材的原则，其中沙砾石料用于渠基换填层，土料场可用于堤顶防渗层。对渠基为弱膨胀岩土的部分，将渠基换填0．8m厚的非冻胀土，渠底布置0．2m厚的排水料;对渠基为中—强膨胀岩土的部分，将渠基换填1．2m厚的非冻胀土，渠底布置0．2m厚的排水料;五是渠坡采用纵横排水花管及逆止阀排水，同时考虑换填层厚度满足最小冻深的要求。

4.3 渠基冻胀破坏的处理措施

目前，常采用的方法就是换填料。大部分置换料都应满足非冻胀土的要求，严格控制换填料中粒径小于0．05mm的土重占总土重的比例不大于6%，以保证换填砂砾料的防冻要求。对粘性土要求压实度P≥98%，并且在施工中应严格控制此类土的含水率，对非粘性土(砂砾石、含土砂砾石)要求相对密度Dr≥0．8。

4.4 盐胀土的处理措施

对盐胀土一般有两种处理方法即化学法和置换法，但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。而置换法处理相对较简单，且容易控制。因此，采用了用非冻胀土替换渠基盐胀土的方法，处理深度等于设计冻深。渠基换填0．8m非冻胀土，膜下布置纵横排水管，渠底间隔100m设置逆止阀，堤顶换填宽度2．5m，深度0．5m。堤顶采用复合土工膜延伸封顶。