引水干渠冻胀破坏影响因素分析及防冻胀设计方案比选

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300)

新疆维吾尔自治区地处西北内陆，气候干旱少雨，且第一产业占比较重，因此农业灌溉是影响居民收入的重要因素。灌区的众多老水渠由于设计不合理，很多渠道冻胀破坏严重，严重影响工程效果。因此研究渠道冻胀破坏影响因素，采取措施优化设计，成为促进区内农业发展的重要途径。

1 土体冻胀量影响因素分析

土壤在冻结过程中之所以产生冻胀，其主要原因是发生了水分迁移集中现象，结冰后造成局部体积增大。水分迁移越显著，冻胀量越大。影响水分迁移强弱因素包括土壤自身性质和外部水分环境条件，而每个因素的影响程度也各有不同。

1.1 土质因素

土壤由多级配颗粒组成，决定基土冻胀性质的关键因素为土颗粒的分散性，即颗粒的形状和大小等，而影响其分散性的因素包括土体粒度、矿物成分、密度等。

a.土体粒度。土体颗粒度决定了表面能，颗粒越粗，表面能越弱，吸附水能力越低；颗粒越细，表面能越大，其与水分子之间的作用力也越强。相关学者经研究表明：土体冻胀量和土体中细颗粒含量呈正比，具体关系曲线如图1所示。从图1中可知：土体粒径在0.005～0.05mm之间时，土体冻胀量处于较大值。实际经验也表明：当土体中粒径在0.002～0.05mm颗粒含量超过50%时，具有明显冻胀性[1]。

图1 冻胀强度、水分迁移聚集度与土壤颗粒粒径间的关系

b.盐分含量。土壤中盐分的含量会显著影响土体的冻胀系数，即：在同等条件下，盐渍土的冻胀量远小于非盐渍土(减小冻胀量接近50%)。随着盐分含量增多，土体冻胀量也在逐步减少，盐渍土冻胀试验结果见表1[2]。

表1 盐渍土冻胀试验数据表(部分)

1.2 水分因素

a.地下水位。当地表水无法有效补给土壤含水量时，若地下水水位较浅，地表水会持续向冻结区迁移，加快冻结过程且增大冻胀量；若地下水水位较深，无法有效补给表层土，则土体发生冻胀破坏的可能性较小[3]。而不同种类土壤其地下水临界补给高度是不同的，具体见表2。

表2 不同土壤类型地下水临界补给高度 单位：m

b.负温变化速率。土体发生冻胀的前提是温度在0℃以下，但温度的变化速率可以影响冻胀过程的时间及冻胀量[3]。经对比研究表明：外界向低温转变越迅速，土体冻胀量越小。其原因为土壤中的自由水分还未来得及迁移便以冻结为固态，冻结速率大，但冻胀量小，没有给水分足够的时间完成迁移和聚集。

2 工程概况

西泉水库位于阜康市境内，其干渠总长5.75km。该段渠道始建于二十世纪90年代，经过近30年运行且受制于当时的设计施工水平，目前干渠渗漏问题严重，经实地考察为冻胀破坏。设计之初也未采取有效的防冻胀措施，因此相关部门决定对该段渠道进行重建。项目区最大冻深为1.5m，属季节性冻土。冬季细粒土中含水量超过20%，冻胀等级为Ⅲ级，设计新建梯形断面渠道水力要素见表3。

表3 新建西泉水库干渠水力要素

3 防冻胀方案比选分析

3.1 渠道防冻胀方案设计

根据实地勘测，其干渠基础土土体粒度、盐分含量均较小，冻胀性较强；且阜康市冬季气温较低，且昼夜温差大，反复经历“冻结→消冻”过程加重了渠基土冻胀破坏。为彻底消除冻胀影响，本项目设计采用“置换法”对渠基土进行处理，即将一定深度的表层土挖除，充填上不同厚度砂砾石层(见图2)[4]，具体防冻胀设计方案具体如下：

方案一：从上至下渠道结构依次为“8cm预制混凝土板+3cm砂浆层+0.3mm土工膜+50cm砂砾石置换层”；

方案二：从上至下渠道结构依次为“8cm预制混凝土板+3cm砂浆层+0.3mm土工膜+60cm砂砾石置换层”；

方案三：从上至下渠道结构依次为“8cm预制混凝土板+3cm砂浆层+0.3mm土工膜+70cm砂砾石置换层”。

图2 “置换法”渠道防冻胀措施结构图

3.2 各方案冻胀量观测数据分析

分别按照上述三种防冻胀方案改造三段西泉水库干渠，每段长10m。在试验渠道阳坡、渠底、阴坡的混凝土板中央分别布置一个位移传感器来监测基土冻胀量变化。为保证数据的准确性，每种渠道布设三组传感器。观测时间为2016年11月—2017年2月，维持4个月的时间，每隔5天记录一次数据。

a.方案一。D21、D22、D23分别为方案一中位于渠道阳坡、渠底、阴坡的传感器所记录的数据。由图3曲线走势可知：渠道基土最大冻胀量为32mm，发生于12月—1月之间，且这两个月内基土冻胀量一般超过20mm。该方案的渠道基土冻胀量依然较大，渠道会产生一定的裂缝等病害。

图3 方案一渠道基土冻胀量变化曲线(2016年11月—2017年2月)

b.方案二。D31、D32、D33分别为方案二中位于渠道阳坡、渠底、阴坡的传感器所记录的数据。由图4曲线走势可知：渠道基土最大冻胀量为32mm，发生于12月末。且在该月份基土冻胀量(尤其是阴坡)大部分维持在20mm以上，其他时间渠道所有坡面的冻胀量均较小(小于20mm)。该方案的渠道基土冻胀量较之方案一明显减小，仅12月威胁较大。

图4 方案二渠道基土冻胀量变化曲线(2016年11月—2017年2月)

c.方案三。D41、D42、D43分别为方案三中位于渠道阳坡、渠底、阴坡的传感器所记录的数据。由图5曲线走势可知：渠道基土最大冻胀量为13mm。

图5 方案三渠道基土冻胀量变化曲线(2016年11月—2017年2月)

12月份基土冻胀量较大，但大部分维持在10mm以下，其他时间渠道所有坡面的冻胀量均较小(小于9mm)。该方案的渠道基土冻胀量已不明显，满足相关规范要求。

综合分析：在其他条件一致的前提下，置换层深度由50cm增加至70cm，基土冻胀量显著缩小，置换层达到70cm后便可满足施工要求。因此西泉水库干渠防冻胀最优措施为方案三：“8cm预制混凝土板+3cm砂浆层+0.3mm土工膜+70cm砂砾石置换层”。

4 结 语

当渠道基土粒度、含盐量、水分等因素符合冻胀土特征时，置换法是最为简单有效降低基土冻胀量的措施。但应当在满足规范要求的基础上，尽量减少置换层厚度，既可加快施工进度，减少工期，又能降低成本，提高项目经济效益，因此建议必须要认真勘察工程实际地质条件，在此基础上设计相关防冻胀措施。目前西泉水库干渠工程已经投入使用超过一年时间，各类技术指标均达到设计要求，使用效果良好。