三屯河节水改造工程防渗抗冻胀设计与施工

王天勇

（昌吉市三友工程建设有限公司，新疆 昌吉831100）

1 工程概况

三屯河灌区是西部大开发的重点工程建设内容之一，主要服务和保障该地区的粮、棉、糖基地化、持续化生产之需。随着使用时间的延长，部分工程出现了渠道衬砌损坏现象，水资源浪费严重，使工程效益始终在低层次徘徊。三屯河节水改造工程势在必行，在节水改造过程中，受新疆地理环境影响，防渗抗冻胀施工是此次节水改造中的重要组成部分。

2 主要冻胀类型及成因

2.1 主要冻胀破坏情况

在对三屯河改造前对节水改造工程的渗漏和冻胀情况进行了深入的调查，发现冻胀现象主要有3种：1）隆起架空。主要发生在地下水位较高的渠段，由于渠床基冻胀量大，造成混凝土衬砌隔板向上隆起架空，大多发生在灌区的干支渠，水面以上1 m以下边坡、阴坡坡脚部位和渠道底中部。2）鼓胀和裂缝。裂缝一般会出现在渠道坡脚1/2左右以及渠道底中部，而鼓胀一般出现于干、支渠道面积较大的阴面混凝土板上。主要原因在于预制板尺寸不够契合，与整体温度收缩变形率不一致时，形成裂缝；当缝隙间的止水材料不能够与床体保持同等变形率，也会在分缝处发生断裂。3）冻融滑塌。渠坡基土融化导致砌板滑落坡脚混凝土板移动和上部衬砌下滑；也可能因冻胀造成架空隆起，破坏坡肢支撑和稳定平衡，融化时，就会产生上部砌板下滑、移位或者重叠。

2.2 冻胀成因

灌区渠道建设多采用预制板或者现浇注衬砌板材，抗压性有余，但冷热伸缩度不强，导致拉伸变形和不均匀变形能力较差。所以，容易出现冻胀力和热应力破坏。

从其具体成因分析来看，主要有4个因素。1）水分条件：冻胀问题取决于起始含水率和地下水位2个因素，其中起始含水率在0.7～0.9之间易发生冻胀现象。地下水位深埋，水分不易达到冻结期；地下水位浅埋，很容易达到冻结期。2）渠基土质来：其冻胀率与其敏感性密切相关，基土的敏感性取决于土质本身的矿物成分、分散性和密度等方面。通过对新疆三屯河节水工程的不同粒径冻结冰析出实验（见表1）分析，0.05～0.002 mm之间含有超过60%的土壤，这是产生冻胀的主要成因，对比《天然冻土冻胀分析标准》粉质粘土的冻胀量最大，砂砾土的冻胀量最小（见表2），新疆三屯河地区主要为粉质粘土，冻胀危害更加严重。3）温度条件：其对于冻胀的影响指标指的是冻结速率，当气温急剧下降时，冻结速率快，不会产生冰夹层，也不会引起冻胀现象。三屯河地区入冬季节气温反复，极易引起夹冰层。4）受力条件：主要包括衬砌板相互间的约束、衬砌板结构与混凝土强度、基土的冻结力以及渠道的整体结构等。渠道的整体结构主要有弧底梯形。图1（a）、U形断面图1(b）和弧形坡脚梯形图1（c），由于存在衬砌，其力学作用能够承受一定量的冻胀力，缩减冻胀量。通过对渠道冻胀量以及不均匀系数的比较来看，弧底梯形最优，梯形渠道最差。

表1 不同粒径冻结冰析出实验数据显示表（－2℃）

表2 黑龙江省水利科学院天然冻土分类表

3 防渗抗冻胀设计的方法

随着国内大量节水工程的兴建，我国的防渗抗冻胀技术也在不断地成熟，根据问题形成的原因分析，渗漏及冻胀破坏的大小取决于冻结时的冻胀作用和水分迁移情况，这些情况又与灌区渠道的土质、负温度、含水量以及工程结构有关。在三屯河节水改造中要做到大最大限度的治理和防范问题的发生，就必须根据实际情况从断面设计、渠道衬砌、保温等方面考虑，抓好衬砌结构、质量、材料以及维修等细小内容，在改造建设初期就着手进行防渗抗冻胀处理。

3.1 节水改造工程断面的设计施工

对节水改造工程渠道的防渗断面的设计主要是根据渠道水流量大小，结合施工工期、渠道断面现状、施工条件质量和回填土来源等内容进行设计。按照不同的地域使用了3种断面设计。总干渠采用了弧脚梯形渠断面如图1（c）、干支渠采用弧底梯形渠断面，图1（a）、支渠和斗渠适用“U”形渠断面如图1（b）。“U”型断面施工后湿周短，水流效果好，可以有效改善渠道坡脚冻胀后产生的应力聚集情况，使冻胀应力均匀分布在渠道横断面上，有效适应融沉变位。在施工中加强了质量把控和检测，对虚土和淤泥进行了很好的处理，不允许超挖，对欠缺部分进行密实回填，高边坡渠道整坡和清淤的泥沙远离渠道，减轻边坡压力。

图1 渠道整体结构示意图

3.2 节水改造工程渠道衬砌设计与施工

三屯河节水改造工程对于渠道衬砌结构的选择上是根据增加砌体强度、降低基础含水率和抵抗冻胀的角度来考虑，在水位较高、流量较小且对于地质条件要求不是很高的渠段采用“U”形现浇式构造。在弧脚梯形较大的断面和地下水位相对较高的渠段，也是冻胀危害的重要渠段，采用钢筋预制混凝土板。预制的混凝土板衬砌采用宽缝结构，错缝安装。宽缝回填采用一级配掺微膨胀剂的C15豆石混凝土，使缝宽与混凝土预制板厚度持平，宽度设定为5～8 cm，这样有助于补偿混凝土收缩，提高缝隙结合度，提高防渗性能。错缝安装的预制板，有助于分散冻胀产生的应力，提高结构稳定性。运用宽缝结构，错缝安装的混凝土预制板可以有效提高稳定性，提高抗冻胀能力。

3.3 运用隔热保温措施

目前，美国、日本等国家都在研究运用隔热保温措施来提高水利工程的抗冻胀性能。我国也有部分水利工程采用铺设聚乙烯塑模配合混凝土预制板，结果证明可以有效提高防渗效能和减少冻胀量。在三屯河改造工程中，在一些地下水位高于渠底冻深的强冻胀渠道上，采用了混凝土预制板复合加铺聚乙烯泡沫板的形式施工。聚乙烯泡沫板隔热性能好，导热量系数低，而且其低吸水性能也能有效防治渗漏。在施工中综合考虑工程需求和成本，根据土质、冻深和冻结指数情况，在重要河段中采用3 cm厚度聚乙烯泡沫板。聚乙烯泡沫板的厚度一般为设计冻深的1/10～1/15。

4 结 语

在三屯河灌区续建配套与节水改造工程完成以来，针对出现的冻胀危害情况，采取了提高防渗抗冻胀能力的渠道断面，运用混凝土预制板宽缝与错缝结合的衬砌施工方法,提高混凝土预制板的伸缩性。借鉴国内外的先进理念和技术在一些高危河段采用混凝土预制板配合铺设聚乙烯泡沫板的施工形式加强保温隔热能力，最大限度提高防渗抗冻胀能力。抗冻胀的新技术得到了广泛的应用，取得了较好的应用效果。改造工程提高了灌区的水资源利用率，为实现灌区水利的持续稳定发展奠定坚实的基础。

［1］卢静.三屯河灌区续建配套与节水改造工程效益浅析［J］.水利经济，2014（2）.

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