喀什噶尔河灌区干渠改造防冻胀技术分析

努尔依力·麦麦提

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700）

大型灌区建设是农业生产实现现代化、机械化、集约化的重要途径，尤其是针对新疆、甘肃、青海等水资源严重缺乏的西北内陆地区，发展大型灌区对于减少农业灌溉用水作用明显。渠道是灌区建设的基础，而新疆自治区冬季寒冷，夏季炎热，白天黑夜温差较大，冻胀土普遍存在。因此在渠道设计时必须考虑防冻胀措施，否则渠道寿命和防渗性会大大降低。

1 工程概况

喀什噶尔河位于塔里木盆地西部，是一条内流河，全长1200 km，平均宽度40 m。喀什噶尔河灌区建设于上世纪70年代，控制面积约6.4万亩，属于中型灌区。灌区渠道网络大致组成为1条干渠、5条支渠。经过近50年运行，目前干渠受冻胀破坏严重，防渗性较差，造成大量水资源浪费（见图1），必须进行防冻胀设计。本次改建干渠总长约11.3 km，设计流量1.7 m3/s～3.9 m3/s。

图1 喀什噶尔河灌区干渠冻胀破坏实景

2 渠道冻胀破坏影响因素分析

经过统计调查：新疆地区很多灌区干渠存在冻胀破坏现象。轻则导致衬砌出现裂缝、渗水；重则出现衬砌变形、断裂、垮塌等，严重影响渠道输水，且维护费用居高不下[1]。

（1）渠基土质影响

渠基土质对冻胀量有着直接影响，主要涉及到的参数有粒度组成、矿物成分、土体密度等。①一般情况下，粒度越小，单位体积土体表面积越大，会吸附更多水分，导致冻胀量越大；②矿物成分不同会造成土体导热系数有差别，导热系数越大，受外界环境影响越大，进而冻胀破坏就越严重；③冻胀破坏程度随着土体密度的增加呈现先增后减的趋势。

（2）水分影响

水分是渠基土发生冻胀破坏的基础，冻胀量和水分也呈正向相关性。当渠基土含水量低于某一数值时，冻胀破坏程度就会很低，不会对渠道造成影响，而其决定因素就是地下水埋深H。新疆地区地下水埋深H与各类型地基土冻胀率η关系如下[2]：

壤土：η＝60.5e-0.11146H

（3）温度影响

温度是渠基土发生冻胀的另一个必备因素，经研究表明：气温下降速度对冻胀程度有着很大影响。①当气温急剧下降至较低值时，土体中的水分来不及作迁移运动便冻结，此时土体冻胀变形量较小；②当气温缓慢下降时，土体中水分冻结速率较小，存在大量周边水分迁移至冻结区域现象，造成冻胀量急剧增大。两者冻胀量相差10%～20%（见图 2）[3]。

图2 气温下降速度和渠基土冻胀量关系曲线

（4）渠道自身影响

渠道自身影响因素包括：走向和断面结构形式。渠道走向对接受光照最为明显，研究表明：南北走向渠道，由于各断面渠基土温度、水分等相似，其冻胀破坏程度也基本一致；东西走向渠道，阴坡面冻胀量明显大于阳坡面[4]。

目前渠道主要的断面结构形式包括：矩形断面、梯形断面、U型断面。结构的不同直接影响着内部应力的分布形式。其中弧形底板的反拱作用显著，能对抗较大外力，属于最优断面形式。

3 干渠最佳断面参数的确定

（1）受冻胀力学模型建立分析

根据冻胀破坏影响因素，喀什噶尔河灌区干渠设计采用“U型渠道”。利用结构力学知识建立渠道混凝土衬砌冻胀破坏力学模型（见图 3）[5]。

由图3可知：弧形渠底衬砌结构整体性较强，其法向冻胀力和切向冻胀力所产生的弯矩方向相反，能够相互抵消一部分，会大大减小控制弯矩值。且坡板和底板之间内力相互影响，提高了整体的抗冻胀能力。

图3 U型渠道混凝土衬砌冻胀力分布模型（左：法向；右：切向）

（2）最佳断面确定

通过计算分析U型渠道断面结构图（见图4），以及水力条件和衬砌结构的冻胀受力，得出在相同衬砌厚度下，当α＝69°、n＝0.4时，渠道衬砌结构弯矩分布最均匀（L：坡面长度；R：弧底半径；2α：弧底对应的圆心角）[6]。

图4 U型渠道断面参数结构图

4 渠道防冻胀设计

喀什噶尔河灌区属于典型的大陆性气候，干旱少雨、蒸发强烈，且冬灌停水时间较晚，地下水水位较高，造成冻胀破坏普遍严重。为彻底解决灌区干渠的冻胀破坏问题，本项目设计采用置换垫层法。

（1）最大设计冻深

渠基土最大冻深Zd是防冻胀设计的最基本参数，相关计算公式如下，经计算得到喀什噶尔河灌区渠基土最大设计冻深Zd＝2.0 m。

式中，ψd为日照和遮阴程度冻深修正系数；ψw为地下水影响系数；Zm为近10年地基土最大冻深，取值1.38 m；α为气候区系数，阴面：-1.36，阳面：2.72；渠底：0.32；ψi为日照和遮阴程度修正系数，取值1.12。

（2）置换材料及深度

①置换材料

本项目可选择置换材料包括：砂砾石垫层和聚苯乙烯泡沫塑料板，两种置换材料优缺点见表1。考虑到灌区干渠对使用寿命和耐久性要求较高，因此本项目确定采用砂砾石垫层作为置换材料。

表1 置换材料方案比选

②置换深度

渠基土置换深度Ze计算公式如下，根据本项目允许最大法向位移量为0.5 cm～1.0 cm，确定本项目置换深度如下：1）东西走向渠道阳坡置换深度30 cm～60 cm，阴坡40 cm～60 cm；2）南北走向阴坡、阳坡置换深度均为30 cm～60 cm。

式中，ε为置换比，取值0.15～0.3；δ0为衬砌板厚度，取值6.0cm。

（3）渠道衬砌方案比选设计

根据相关规范可知4级及以上渠道衬砌结构厚度为：现浇筑（无钢筋）6 cm～12 cm；预制铺砌5 cm～10 cm。结合当地工程经验，本项目渠道衬砌方案可选：现浇筑衬砌10 cm和预制砼板衬砌6 m。两方案优缺点对比见表2。

表2 渠道衬砌方案优缺点对比

方案一：现浇筑C20衬砌

该方案渠道具体结构：两侧边坡设置砂砾石垫层30 cm，渠底设置砂砾石垫层60 cm；边坡和渠底现浇筑衬砌层均设计为 10 cm（见图 5）。

图5 现浇筑C20衬砌结构断面图

方案二：预制C20砼板衬砌

该方案渠道具体结构：两侧边坡设置砂砾石垫层30 cm，渠底设置砂砾石垫层60 cm；边坡和渠底预制C20砼板衬砌均设计为10 cm（见图6）。

图6 预制C20砼板衬砌结构断面图

综合考虑本项目地段地形复杂，干渠改造时用水困难，且为不影响农业灌溉，对施工工期要求较高，因此最终确定采用预制C20砼板衬砌方案。

5 结语

渠道防冻胀破坏设计是西北内陆地区灌区建设必须要考虑的问题之一，喀什噶尔河灌区干渠改造总体按照“砂砾石垫层＋混凝土衬砌”形式，经过一年使用，干渠没有出现任何冻胀裂缝、坍塌等破坏，防渗性、输水量等参数均满足设计要求，干渠改造效果显著。