辽宁东部地区干渠防渗减糙工程冻胀破坏分析

孙秀艳

(东港市水利工程建设质量与安全监督站,辽宁 东港 118300)

辽宁东部地区干渠防渗减糙工程冻胀破坏分析

孙秀艳

(东港市水利工程建设质量与安全监督站,辽宁 东港 118300)

摘要：干渠是农业灌溉用水的最主要输送通道，通过防渗、减糙工程改造可有效增加过水能力，减少渗漏损失，缩短供水时间，节省灌溉水量。在运行管理过程中，渠道存在严重冻融破坏等问题，本文通过对典型渠道冻融破坏原因的分析，针对性提出了多种处理措施，为北方寒区渠道防渗减糙工程设计提供技术支撑。

关键词：东港灌区;防渗减糙;冻胀;对策

我国北方地区，渠道和建筑物在冬季普遍受到基土冻胀的危害。经过研究发现，引起水工建筑物发生冻胀破坏的原因是十分复杂的，冻胀破坏出现的原因不仅与当地的土质类型有关，还与当地的水质和温度有关。由于衬砌渠道工程一般为护砌式结构，厚度较小，因而所受冻胀破坏尤为严重。通过改善渠道冻胀破坏的影响因素，重视施工质量、管理维修，才能达到满意的防冻效果。

1典型防渗减糙工程概况

东港市东港灌区友谊总干渠工程始建于1975年[1]，全长36.65 km，规划防渗减糙长度由渠首隧洞出口至倪家岭全长17 km，目前已经完成7.4 km，改造的目的，一是由于灌区不断发展，面积逐年扩大，原设计断面已显窄小，输水能力渐低，形成了“卡脖子”工程，过去靠延长供水时间解决供水，既误农时又浪费水量，严重影响灌溉质量；二是想在不增加占地面积的情况下，提高过水能力；三是该段渠道有部分渠段筑堤土质为沙壤土，透水性较强，极易脱坡，渗漏严重。为减少渗漏损失，增加过水能力，保持渠坡稳定和改善环境等，必须采取防渗减糙措施。

寒冷地区的渠道基土受自然气温影响，每年都处于冻融两种状态，进行渠道防渗设计时，如果仅计及基土处于融土状态时的物理力学指标及受力和变形状态，当基土发生冻胀时，渠道衬砌必然遭受破坏。渠道防渗体的冻胀破坏，不仅造成灌区维修管理费用的增加，甚至严重影响水利工程效益的发挥。为此，要使渠道衬砌长期发挥防渗效益，亟待解决冻胀破坏问题。

2设计方案的确定

原设计渠道过水流量为15 m3/s，加大流量为20 m3/s，目前仅能通过13 m3/s左右，要通过现在规划设计29.7～23 m3/s的流量，一个做法是拓宽渠道，但要新增占地面积18.66余hm2，特别是有个别渠段一面是山，一面是公路，拓宽困难，经过多种方案对比，决定采用防渗减糙的措施[2]。其具体办法是采取混凝土衬砌(混凝土现浇板厚度10 cm，下铺40 cm砂砾石垫层)，将土堤糙率由0.025降低为0.017，同时将原土堤坡比1∶2改为混凝土衬砌的1∶1.5，加大过水断面[3]，在不增加占地面积的情况下，经计算满足灌溉所需流量。

3冻胀破坏原因分析

冻胀破坏主要是防渗渠道基层土受冻后体积膨胀，对上层混凝土造成破坏，截止目前，友谊总干渠减糙工程最长已经运行了三个冬天，主要表现为整体上抬、膨胀、裂缝、突起架空、滑塌错位。经分析，主要是因为基土由于水温条件不均匀而产生的不均匀冻胀，以及基土与衬砌体之间的冻结力造成的约束作用所引起的膨胀，由于建设时与混凝土衬砌板结合紧密，体积膨胀后直接顶起混凝土板，致使混凝土板表面产生整体上抬、膨胀、裂缝、突起架空、滑塌错位。冻胀破坏形式见图1。

(a)

(b)图1　冻胀破坏现场图

4冻胀破坏处理方案设计

4.1砂砾料换填措施

在混凝土面板下部，将强冻胀地基土换填成非冻胀性砂砾，其换填深度在设计中采用了陕西水科所公式进行计算。

(1)

式中：e为换填土层的厚度，cm；h为最大冻结深度，cm；δ为衬砌厚度，cm。

关于换填深度：日本规定为最大冻深的80%，瑞典规定在冻深小于90 cm时，全部换填，中国则一般为最大冻深的50%～80%。东港地区最低月平均温度-8.6 ℃，极端最低温度-28.3 ℃，属寒冷地区，实测最大冻深为0.87 m，设计采用了最小换填深度，即40 cm。第一年秋后施工，仅完成底板浇筑，未采取任何防冻措施，春天发现底板普遍上抬达5～10 cm，并有局部断裂现象。以广胜跌水为界，分为上、下两段，广胜跌水以上多为挖方或半填半挖渠道，比降为1/3000～1/8000，为灌排两用渠道，冬季地下水补给充分，渗流不断；广胜跌水以下多为填方渠道，比降为1/12 000，地下水位与地表比降一致，且地下水位较高呈饱和水状态。设计没有考虑排水措施，实际上欲将地下水位排到换填面以下几乎是不可能的，在水分不能尽快排除的情况下，砂砾石层内的水分冻结时，仍将产生较大的膨胀，并对基础产生上抬作用，采取强排措施，费用高，不可取，即在饱和水地基上采取的换填措施将会失去效果。施工中有相当一部分换填体是在水中作业的，水下基土呈流塑态，在换填过程中，完全有可能出现基土中的细粒土充满换填体的孔隙，使换填体丧失了部分或全部削弱冻胀的作用。

因换填体包围在细粒土之中，设计中没有采取隔绝措施，受渗流作用细粒土慢慢的侵入也完全有可能污染换填体，运行久了，换填体也将失去作用[4]。至于局部护砌板块断裂原因是多方面的，如土质的不同，冻结条件不同，换填体不符合技术要求，粉粘粒超标等，产生了冻胀的不均匀性。换填深度取下限是偏于不安全的，设计者应根据当地的气候条件、地质条件、土质条件等因素因地制宜确定换填深度。根据“冻土”理论，建议采用e=(0.7～1.0)(H-δ)公式计算换填深度e[5]。换填深度要根据当地冻深、冻胀条件，特别是土壤水分条件而定，一般情况下，在地下水位较低时取小值，地下水位较高时，换填深度应达到全部冻深。应该指出的是，由于砂砾料的冻结深度，在相同的条件下，要比细粒土的冻深大，所以，换填以后的冻深都要增加，因此，换填深度还应考虑换填砂砾石对实际冻深的影响。

4.2取水保温措施

已建的渠道衬砌，冬季地下水位偏高，渠底部位的衬砌事实上为饱和状态地基，冻胀量达5～10 cm。为不使其遭到冻胀破坏，采用了取水保温措施，使渠底混凝土板得到了保护，但也由于渠内存水并结成较厚的冰层，冰面附近渠坡含水量较高，冻胀过程中，水分补给充分，冻胀量较大，但混凝土衬砌板的冻胀上抬受到冰层一侧的限制，因而可能在冰缘线处，受弯出现裂缝或折断，设计中在该部位配了筋，起到了抑制断裂作用。同时，也由于渠顶冻胀量小，在距冰面以上1～1.5 m左右的坡长处(特别是背阴面)出现衬砌混凝土隆起，春季通冻后，不能回落到原高程，在逐年反复冻胀作用下，将会产生上部板块顺坡向下滑移，出现错位，迭叠乃至遭到破坏。因此在水位变化区混凝土板下采取换填和埋设聚苯乙烯保温板的综合措施，即在水位变化区混凝土板下首先铺20 cm粗砂，上铺6～8 cm的聚苯乙烯保温板，其上再浇筑护面混凝土，可避免上述冻害。

4.3渠床、渠底土压实措施

用压实法或强夯法提高渠道土密度以降低冻胀量的方法是最简单易行的措施，压实可使土的干密度增加、孔隙率降低、透水性减弱、冻胀变形减小[6]。渠床、渠底基土压实处理时，先清除淤泥杂草，然后再进行碾压；翻松土压实，还需视土料含水情况，如必须进行扒松晾干，使其接近最优含水量。每次碾压的厚度需根据碾压机械的压实功能和土料性质确定，一般不宜过厚。为确保工程质量，应随时抽取碾压土样，现场测定干容重。

5结论

渠道防冻胀破坏工程设计施工中应注意以下几点。一是严格控制地下水位，地下水位必须低于砂砾换填面，并保持干爽状态。二是换填砂砾料的铺筑，渠底最好用压道机压实找平，严格控制密实度，坡面可采用平板振捣器振动压实。三是优先使用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，选用质地坚硬，无风化的砂石骨料，东港地区以无风化的花岗岩碎石为好。精心设计试验选择配合比，严格控制水灰比，适当提高混凝土强度标号，提高冻融强度，由于渠道护面工程一般战线较长，必须设专人严格控制。四是当混凝土终凝以后必须加强养生，保持混凝土的湿润状态，至少需养生14 d以上。五是严格控制工程尺寸，保证完美形象。

参考文献：

[1]贺启有，许聪，李瑞涛，等.东港灌区续建配套与节水改造第十期工程[R].丹东：丹东市水利勘测设计研究院，2013.

[2]国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部.灌溉与排水工程设计规范：GB 50288-99[S].北京：中国计划出版社，1999

[3]中华人民共和国水利部.灌溉与排水渠系建筑物设计规范：SL 482-2011[S].北京：中国水利水电出版社出版,2011.

[4]中华人民共和国水利部.渠系工程抗冻胀设计规范：SL 23-2006[S].北京：中国水利水电出版社出版,2006.

[5]中华人民共和国水利部.水工建筑物抗冰冻设计规范：SL 211-2006[S].北京：中国水利水电出版社出版,2006.

[6]中华人民共和国水利部.渠道防渗工程技术规范：SL 18-2004[S].北京：中国水利水电出版社出版，2004.

作者简介：孙秀艳(1969-)，女，工程师，主要从事工程设计 、工程管理、大型灌区改造设计、质量监督等工作。

中图分类号：TV698.2

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)06-0066-03