长距离明渠输水渠道变形分析

纪风兰

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 836403)

长距离明渠输水渠道变形分析

纪风兰

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 836403)

由于长距离明渠输水工程存在工程条件多样化、质量标准要求高等工程特点，因而解决渠道变形问题是维持输水工程正常运转的关键问题。为了发挥输水工程的各方面效益，对长距离明渠输水工程中渠道变形问题进行深入分析，并提出相应的处理建议。

长距离明渠； 输水工程；沉降破坏；冻胀；渠道变形；解决办法

1 长距离明渠输水工程的特点

中国水资源人均占有量约为世界平均水平的1/4，同时水资源的区域性差距导致16个省份低于严重缺水线，特别是西北地区已经严重制约了当地经济的发展，影响人民生活水平的提高。为了改善水资源短缺问题，政府投入巨大的人力物力，建设长距离输水工程。因此务必解决影响长距离明渠输水工程正常运转的各种问题。

对于长距离明渠输水工程来说，最明显的特点就是工程线路长、辐射面广，因此具有复杂多变的地质条件。在建设和使用过程中会出现多种多样的渠道变形问题，最典型的两种破坏形式为冻胀破坏和沉降破坏，其中沉降破坏一般包括填方不密实、膜后进水以及渠水外渗等问题引发的渠道变形[1]。

2 引发渠道变形的地质条件

2.1 易引发冻胀破坏的地质条件

土中含有的矿物成分情况及其颗粒分散性是土质冻胀敏感性的两个决定性因素，而且土质的冻胀性与颗粒分散性成正比，与颗粒粒径大小成反比。当土的粒径<0.01～0.05 mm时引发冻胀问题的几率会很高，并在0.05～0.002 mm范围内达到最高值。因而，若土质中含有较多粉土及黏土成分冻胀性便会大幅提升。

根据此规律可以得出各类土质条件的冻胀性情况：砂砾石<砾石土<黏土、亚黏土<亚砂土<粉质土。并且土质中亲水性矿物成分含量越高的土具有的冻胀性越明显，越容易引发冻胀破坏[2]。

2.2 易引发沉降破坏的地质条件

在长距离明渠输水工程施工过程中，一般为就地取材建造渠堤，从而渠堤填方土与原状岩土的矿物成分及颗粒级配基本一致，但两者的工程特性却有很大的差别，其原因便是岩土压实程度存在差异。

通过对比试验的验证可知，与天然结构的原状岩土相比，渠堤填方土的天然含水量、空隙比以及湿陷系数均有不同程度的提高，而天然干密度、饱和抗剪强度、压缩系数以及压缩模量均出现下降[3]。

综合来看渠堤填方土的压缩性提高，易出现沉降变形的问题。

表1 含细粒土砂的颗粒分析表

3 渠道变形问题分析

3.1 冻胀破坏分析

我国气候类型复杂，大陆性季风气候显著，冬季盛行寒冷离陆风，导致西部及北部大面积国土出现多年冻土或季节冻土。在此环境条件下，当岩土温度低于其冻结温度时，土中的水分便会由湿土向正冻带移动，同时在低温下会变为固相进入土颗粒间隙，而水由液态转为固态时体积有9%的提升，当体积膨胀达到颗粒间产生相对位移条件后冻胀现象就会产生。

冻胀问题在水分向已冻带中不断积聚的过程中逐渐严重，特别是在我国北部寒冷地区，运行中的长距离明渠会在持续的负温及充足水源条件下引发更为严重的冻胀问题[4]。

对于三相体系的土体黏性土，在最适宜的饱和度条件下冻结，相应产生最大冻胀强度密度γdˊ一般用下式表示：

γdˊ=(0.8～0.9)γdop

(1)

式中：γdop为土的最佳密度，即冻胀系数接近于零的密度。

如果土体密度达γdˊ时而继续压密，土颗粒间的间距继续减小，土体的冻胀系数则随土中水分迁移量减少而降低，达到最佳密度时的含水程度已接近于该密度下土体的起始冻胀含水量(ω0)，土的冻胀系数降至零，这时土的最佳密度γdop可用下式近似表示：

(2)

由公式(2)可见，γdop是随着土体起始冻胀含水量(ω0)及其颗粒比重G而变化，ω0 的大小可由表2查用。故只要渠基土能压实到最佳密度以上时，便可起到完全防冻胀的效果。

表2 几种典型的起始冻胀含水量

对于两相土的情况，土中水分与密度之间的关系可用下式表示：

(3)

根据黏性土充分饱和至90%以上进行冻胀试验结果表明，土体的冻胀系数(η)随着密度(γd)增大而减小，它们之间的关系近似线性关系。

η=a-bγd

(4)

当γd达到最佳密度时(γd要达到1.8g/cm3以上)土的冻胀系数即为零。

导致岩土冻胀问题的主要因素包括水分、温度及土质，其中水分包括含水率和地下水位。由于长距离明渠工程线路长、范围广的特点，温度及土质因素难以消除和控制，只能在水分方面入手解决冻胀问题。

土的含水率受其密度的影响，而渠道在运行过程中难免会受到渗漏水的影响，因此要维持基土含水率在较低的水平下，必须通过控制其密实性来达到，即通过控制土的密度使冻胀系数趋近于零，起到防止冻胀的效果。

3.2 沉降破坏分析

在明渠运行过程中，渠堤及边坡部位经常会出现沉降变形的破坏问题。通过对渠道变形的形态特征及岩土性质等因素进行综合分析，一般可将渠道变形问题分为填方不密实引发渠道变形、膜后进水引发渠堤变形及渠水外渗引发渠堤变形等3个类型。

3.2.1 填方不密实引发渠道变形

在长距离明渠输水工程中，由于填方土的自重作用，渠道的顶部较底部会出现较大的沉降。同时，填方土与渠沿石之间存在横向应力，渠沿石与混凝土板块之间还存在向下的摩擦力，当摩擦力大于混凝土板块的自重时，便会引发混凝土板块产生顶部沉降底部抬升的变形。

3.2.2 膜后进水引发渠堤变形

由于大量降雨及渠堤排水不畅，会导致表面出现积水，而填方土密实度低，难免出现渗透水的问题，积水和砂石进入膜下，当水的扬压力超过混凝土板块的自重应力时，便会拱起渠道混凝土板块造成渠道变形问题。

3.2.3 渠水外渗引发渠堤变形

由于工程实施过程中难免出现局部渠道塑膜达不到设计强度的问题，在渠道运行过程中，塑膜强度较低的部位可能会出现渗透水的现象。在水的作用下会出现塑膜破坏，并且破坏区域逐渐扩大，岩土含水量提升，从而导致基础岩土出现湿陷及沉降，渠堤土方在收到基础沉降拉应力的作用下，进而出现变形破坏。

4 渠道变形问题的解决方法

4.1 对冻胀变形的解决方法

为了应对渠道冻胀变形问题，必须尽量减弱冻胀因素的影响强度。

根据我国长距离明渠输水工程的实际条件，在解决冻胀变形时，可以采取以下措施的一种或有机结合其中几种措施：

1)从水分、温度及土质3个基本因素方面着手，通过用非冻胀性土置换及对填土进行压密，加强渠道各部位的防渗效果，提升渠堤排水能力，对渠道采取保温措施等，减少冻胀变形的发生。

2)从渠道自身的结构入手，尽量优化渠道的结构，从而能够抵抗冻胀破坏的各种因素。

3)加强渠堤的整体性，严格控制置换材料。在进行土质置换时，要保证在地下水位与置换土石料底部距离超过0.5m的条件下，置换材料粒径<0.1mm的颗粒含量不超过10%。

4.2 对沉降变形的解决方法

1)若渠道变形是由填方不密实原因引发，最有效的措施便是去除沉降变形位置表面的混凝土板块，以及上部两米范围内的岩土，再将土方进行分层夯实至最优密实度后，在表面铺设混凝土板块。

2)若渠道变形是由膜后进水的原因引发，则需要去除沉降变形位置的混凝土板块，再将破坏位置的土方进行分层洒水夯实，在表面铺设混凝土板块。

3)在长距离明渠工程中，对于渠道湿陷原因产生的变形，一般出现的范围广，而对渠道正常运行不会产生较大的危害，可采取现场观测的手段，至渠道沉陷平衡后，再针对实际情况采取措施。

5 结 语

我国在长距离明渠输水工程中投入十分巨大，为了保证其发挥更大的效益，本文从长距离明渠输水工程的渠道变形问题入手，综合分析了长距离明渠输水工程的特点，以及易引发渠道变形的两种主要地质条件，并对两种渠道变形问题进行了深入分析，进而提出了相应的处理方法和建议。

[1]新疆水利水电勘测设计研究院.新疆引额济克总干渠渠道边形分析报告[R].乌鲁木齐：新疆水利水电勘测设计研究院，2002.

[2]强鲁斌,朱瑛洁,曹道宁,李迷,马力刚.深挖方膨胀土渠道变形破坏形式及成因探讨[J].人民长江,2014(06)：82-84+88.

[3]范丽君.北引总干渠渠道变形的成因与治理措施研究[J].黑龙江水利科技,2013,41(08):91-93.

[4]孟凡超,王明学,彭亮.引水总干渠局部段渠道变形分析[J].科技资讯,2007(31):41-42.

Deformation Analysis for Long Distance Water Conveyance Open Channel

JI Feng-lan

(Xinjiang Irtysh River Basin Development Project Construction Management Bureau，Urumqi 836403，China)

Due to the diversified engineering conditions and higher quality standard characteristics for long distance open channel，it is vital to solve the problem of channel deformation so as to maintain the normal operation of the water conveyance project.In order to play water transfer project benefits，a thorough analysis to the deformation problem of long distance open channel water channel engineering carried on and the proposal and relevant treatment are put forward.

long distance water conveyance open channel；water transfer project；settlement destruction；frost heave deformation；channels deformation；solution

1007-7596(2015)01-0025-03

2014-04-12

纪风兰(1978-)，女，新疆乌鲁木齐人，助理工程师。

TV221.2

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