吉林省西部供水工程渠道护砌方案设计

孙方超

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

吉林西部供水工程利用松花江、洮儿河、霍林河、哈达山水利枢纽工程洪水期的丰富水量和嫩江吉林省分水量对吉林省西部地区的湖、泡等实施供水，解决西部地区水资源短缺问题，达到改善西部地区湖、泡周边区域的生态环境的目的；工程分莫莫格、向海、查干湖和波罗湖四大生态板块，板块之间的湖、泡等主要通过渠系设计达到连接贯通目的。工程设计渠道长度总计1646.0km，通过地质勘查和板块区域内需水测算，渠道需护砌长度计427.0km，因渠道护砌范围广，各区域内的工程地质条件、水文地质特性和社会经济状况存在差异，渠道护砌的类型和结构型式应因地制宜采用科学合理的护砌技术。

1 护砌渠道需解决的主要难题

吉林省西部属于北温带大陆性季风气候区，区域内河流较少，分布不均，多为无尾河，气候干旱，夏季蒸发量大，存在大面积盐碱化土地和星罗棋布的盐碱泡沼。另外，工程区域位于高纬度寒冷地带，季节性冻胀土分布广泛。通过渠道护砌范围内沿线地质勘查和室内土工实验研究分析，护砌方案设计主要面临两大难题：①护砌渠道沿线普遍存在季节性冻胀性土，特别是渠道深挖地段，地下水位高，冻胀性土具有充足水源补充，护砌易发生冻胀破坏；②位于吉林省西部苏打盐碱地的护砌渠道，盐渍土具有较强的离散性和弱冻胀性，浸水后土质强度偏软，在低流速水流作用下能够发生冲蚀破坏。

2 破坏机理分析

2.1 冻胀破坏机理分析

渠道护砌的冻胀破坏大部分原因为渠堤边坡(护砌基础)发生冻胀而产生的冻胀力顶裂或顶起衬砌导致护砌结构发生冻胀破坏。渠基土冻胀是土体中水分冻结后体积膨胀造成的，冻胀效果与土体含水量密切相关。对于非饱和土，土中的孔隙水冻结后产生的膨胀量主要填充土体结构内的孔隙，对土体产生的冻胀量较小，一般不会造成冻胀破坏；但土体冻结过程中具有持续外界水源补给时，因冻结水分迁移形成分凝层会促使土体的冻胀量急剧增大，护砌冻胀破坏几率增高。对于饱和性土，土中的水冻结成冰时，膨胀量主要作用在土体结构上，一般冻涨量和冻胀力较大，护砌冻胀破坏几率高。

研究表明土质、水分和温度是土体发生冻胀必须具备的3个条件，因此渠基土冻胀的发生必须具备以下条件：①具有冻胀敏感性的土质；②土壤含水量超过起始冻胀含水量(对于非饱和土)；③达到土体冻结的负温并且有一定的持续时间。因此，制定防冻胀破坏措施时，只要能控制其中一个条件就可以减弱或消除渠基土的冻胀，达到防治冻胀破坏的目的。

渠基土冻胀产生的冻胀力是护砌破坏的根本原因，护砌破坏的防治措施主要从消除渠基土冻胀破坏属性和增加护砌强度至足以抵消渠基土产生的冻胀力。护砌冻胀破坏如图1所示。

图1 护砌冻胀破坏

2.2 盐渍土破坏机理分析

试验表明吉林省西部地区盐渍土中存在较多交换性阳离子，形成大量交换性钠，可与地下水发生交换作用。土中较多的钠离子、钾离子、碳酸根和碳酸氢根存在于潜水，潜水的矿化度增强。随着高矿化度潜水的运移和周围土体离子频繁交换，不断加重碳酸盐盐渍土的盐渍化。土中水分蒸发后，土体结构中存在大量的钠、钾离子，并在离子电荷力作用下硬度增强(如图2所示)，但浸水后电荷力在水离子的作用下消散，土体硬度削弱，抗冲强度降低(如图3所示)。

图2 饱和后盐渍土

图3 水分蒸发后盐渍土

因此为消除或降低盐渍土对护砌的破坏，可综合考虑以下两种措施：①降低地下水位，局部降水可使地下水位达到临界水位以下，使盐分不能达护砌的基础表面；②设隔断层隔断渠道内部水与盐渍土内地下水的水力联系。

3 冻胀土渠基护砌方案设计

根据冻胀破坏机理分析可采取以下措施进行防护：①置换措施:置换措施是在冻结深度范围内将护砌底的冻胀土换成非冻胀土，一般通过铺设砂砾石垫层形式。②保温措施:在衬砌下铺设隔热保温层，阻隔大气与渠基土的热交换，提高砌体下基土温度，削减或消除冻胀，防止发生冻胀破坏。③压实措施:提高渠床土密度以降低冻胀量。④隔水与排水措施:防止渠水和渠堤上的地表水渗入渠基，隔断水分对冻结层的补给，以及地下水位高时排除渠基冻胀层的水分。因此，消除或降低护砌基础的冻胀性是解决护砌冻胀破坏的主要措施，护砌基础冻胀性消除后，护砌的类型选择和结构型式设计仅需满足护砌的基本功用即可。

以乾安县花道泡连接渠为例：连接渠为深挖方渠道，渠道内地下水位高，渠坡土为季节性冻胀土和盐渍土，护砌型式为模袋混凝土护砌。为防止模袋混凝土护砌发生冻胀破坏，在渠道底高程以上2m范围内采用砂砾石置换盐渍土，同时该范围内模袋护坡设排水孔，以排除冻土水源补给。砂砾石置换一方面及时排走土中的水分，消弱基础冻胀土的冻胀性，降低护砌发生冻胀破坏的几率，另一方面通过砂砾石作为模袋护坡与盐渍土的隔断层，避免盐渍土因毛细水的上升而发生次生盐碱化；基础与护砌之间设计无纺布反滤，模袋护坡开孔后采用砂砾石回填并压实；为增强模袋混凝土整体性以抵抗冰推力，模袋内增设钢筋；模袋护坡厚度和护砌长度可通过稳定计算确定，结构设计标准断面图如图4所示。

4 盐渍土地区渠道护砌方案设计

吉林省西部地区盐渍土主要分布在镇赉区片、大安区片、洮南区片、通榆区片、前郭区片和乾安区片，根据盐渍土区片的土壤化学分析结果，各盐渍土区片的盐渍土类别分别为：镇赉、大安片区为硫酸盐渍土，洮南、通榆和前郭区片为亚硫酸盐渍土，乾安区片为氯盐渍土。盐渍土区片的护砌渠道包括填方渠道、挖方渠道和半填方半挖方渠道的护砌。

图4 冻胀性渠基护砌设计断面图

图5 盐渍土填方渠道护砌设计断面图

填方渠道区内运行水位一般高于渠道沿线周边区域内地下水位，渠道护砌除满足水流抗冲刷要求外，应避免渠内水源补给周边地下水，以防因地下水位抬高造成附近区域土壤发生次生盐碱化危害；另外运行水位高于地面，存在浸没问题。因此，该类型渠道渠底和渠坡运行水位以下部分需采取防渗措施，主要采取以下两种防渗措施：

措施一：渠底、渠底高程至运行水位加波浪爬高高程范围内渠道填筑用料采用抗渗系数低的黏性土、壤土等土料，填筑厚度可根据渠道运行水位与地下水位的高差和设计水位运行时间计算确定，防渗效果以渗漏量不能形成地下水补给为控制性指标；运行水位以上可根据运行水位加波浪爬高高程至渠道顶高程范围可根据需要进行生态护坡设计，加强渠道生态绿化。护砌边坡设计坡比应通过渠道水力计算、边坡和护砌稳定计算确定。填方渠道护砌附近区域地下水位低，经过防渗措施处理后地基土不存在盐渍土冻胀问题，因此护砌型式可根据抗冲能力进行设计选择，使用PP纤维混凝土板、整体结构性能较强的实心混凝土生态连锁板块两种型式，PP纤维混凝土板的厚度及生态板块厚度可根据不同渠段的水流冲刷和淘刷破坏程度确定。板块底部宜设一定厚度的砂砾石找平层和无纺布反滤层。

措施二：渠底、渠底高程至运行水位加波浪爬高高程范围内渠道采用复核土工膜防渗，渠堤填筑料不具备防渗功用，可以就地取材，减小运距，降低土方单价，进而减少工程投资；为防止土工膜存在缺陷性渗漏导致边坡失稳可设逆止阀。运行水位以上可根据运行水位加波浪爬高高程至渠道顶高程范围可根据需要进行生态护坡设计，加强渠道生态绿化，植被类型结合当地土壤类型，合理选择。填方渠道护砌附近区域地下水位低，经过防渗措施处理后地基土不存在盐渍土冻胀问题，因此护砌型式可根据抗冲能力进行设计选择，采用PP纤维混凝土板和实心混凝土生态连锁板块两种型式，PP纤维混凝土板的厚度及生态板块厚度可根据不同渠段的水流冲刷和淘刷破坏程度确定。板块与复合土工膜之间宜设一定厚度的砂砾石找平层，结构设计标准断面图如图5所示。

5 结语

渠道护砌关键在护砌基础的性质和护砌结构特性，对于季节性冻胀土和盐渍土区域内的护砌，其关键技术在于护砌基础的处理。目前成熟的护砌种类和结构型式较多，基本上都能满足糙率系数和抗冲刷水力要求，有些新型护砌型式可兼顾河道生态和自然环境维护，因此护砌基础处理措施应根据不同区域的工程地质、水文地质、气候等影响因素综合考虑，选择合理的基础处理措施，进而保证护砌型式服务周期。