三工河灌区渠道冻胀破坏原因及加固改造措施分析

赵 刚

(阜康市城乡供排水管理站，新疆 阜康 831500)

1 工程概况

三工河流域位于新疆阜康市的西南部，项目区土地面积为2.17万hm2。渠道工程线路较长，历经地段地形比较复杂。项目区属于季节性冻土区，全年平均气温为6.7℃，最低温度为-37℃，最大冻土深度1.5m。渠道自建成后，频繁地发生冻胀破坏，已经严重影响了灌区正常的水利灌溉。

2 渠道冻胀破坏的原因分析

灌区渠道发生冻胀破坏的形式具有一定的相似性。冻胀破坏首先发生在渠道边坡下方距离渠底约四分之一位置处，该处混凝土衬砌板先发生鼓胀，进而引起混凝土预制板的整体滑移、坍塌。在广泛调查基础上，认为造成渠道冻胀破坏的原因主要有以下2个方面。

(1)地形条件。渠道段建设时采用深挖渠基方法，挖方深度在4.5～7.8m，同时渠道两侧离农田距离较近，农田灌溉中的水分通过深层渗流方式汇集在渠坡外围土基之中，因此渠道有十分丰富的旁水渗入。根据相关资料显示，在每年冬灌结束后，渠道边坡外围土基础土含水率超过20%，而此时气候均在零摄氏度以下，有利于基础土发生冻结。渠道基土有丰富的外界水源补给，并且本身渗流相当滞缓，这是导致渠道发生冻胀破坏的主要原因之一。

(2)地质条件。渠道基础土壤属于冻胀土，基土成分主要是黏土和中、重壤土。土壤特点为透水性比较差，遇水会发生软化，长时间浸泡后会产生较大的塑形变形。在冻结期，渠基土发生冻胀，但在春季解冻初期深层基土并没有解冻，透水性几乎为零，使得深部冻土层与解冻层之间形成抗剪薄弱面。浸水饱和之后的黏土在外界应力作用下进行溯流，并沿着抗剪薄弱面向坡脚滑移，破坏渠道衬砌结构。除此之外，地下水埋深浅、基土透水性差、水分在渠道基土分布不均等因素也是造成渠道发生冻胀破坏的原因。

3 渠道加固改造措施

该地区属于季节性冻土区域，并且昼夜温差较大，渠道衬砌混凝土会受到反复冻胀力的作用，渠道冻胀破坏情况比较严重。在以往对破坏渠道的修复过程中，往往只重视冻土清理，对坡道修整后再次衬砌混凝土预制块，同时注重对勾缝质量的控制。但修复后的渠道在运行3a左右后，又会发生类似的冻胀破坏。在总结以往经验基础上，考虑到渠道基土不透水、水位已升高等实际情况，对灌区渠道的改造原则为削减基土冻土和改善衬砌结构，目的在于控制渠道基土冻胀量，尽可能提高渠道结构的冻胀变形适应能力。基于此，渠道改造措施采用砌石改善衬砌结构，并将原渠道敏感性冻土换成非敏感冻胀土。对于不同地下水出露情况，块石套砌方案分别采取以下措施。

3.1 地下水未出露渠段改造措施

对于渠段中地下水埋深未在渠底出露，并且水位埋深较浅，渠段基础有良好的排水条件，不会造成地下水的滞留。针对这种类型渠段的改造处理措施在于对关键部位进行补强，尤其是冻胀变形情况严重的位置，采用加强衬砌结构的方式强化自身抵抗冻胀变形的能力。对于灌区不同边坡系数的渠道均采用如下块石套砌方案，如图1所示。渠底基础用浆砌石进行套砌，厚度控制在50cm左右，距离渠底150cm位置以下边坡同样采用浆砌石进行套砌，边坡套砌石厚度控制在30cm。同时在渠底与边坡交接处下方各留暗沟，暗沟宽度为50cm，高度在40cm左右，其目的在于提高整个衬砌结构的稳定性。采用此改造加固方案的优点在于能够有效提高冻胀区基土的刚度，从而有效控制渠道冻胀变形量。

图1 衬砌渠道改造加固方案(单位：cm)

3.2 地下水出露段改造措施

渠段中地下水埋深在渠底有出露，并且水位埋深较浅，渠段基础排水条件不佳，渠道两侧渗流水补给条件好。针对这种类型渠段的改造处理措施在于拆除部分渠道并采用块石套砌护砌的方案，拆除内容包括渠道底部、坡脚1.5m的强冻胀区渠道，方案如图2所示。渠底采用浆砌石进行填筑，但在渠底内砌干砌石进行套砌，渠底干块砌石单元为正方形，边长为100cm，每个干块砌石单元间隔距离为20cm。坡脚上方1.5m同样进行块砌石套砌，渠底上方50cm记性浆砌石施工，渠底上方高度在50～150cm的坡段位置进行干块石衬砌。

图2 套砌方案(单位：cm)

采用这种改良加固措施的优势主要有2个方面：①能够及时将水分排出，包括地下水或外界渗入渠道基础的水分，可以大幅度降低渠道基础土壤的含水率，从而大大消除渠道遭受冻胀破坏的基本条件；②改善渠道底部衬砌结构，同时增加衬砌结构厚度(约22cm)，增加渠道结构的整体性和稳定性。施工选择干砌石材料应注意块石粒径，需要选择粒径超过30cm的块石。砌石迎水面表面应尽可能平整，并在浆砌石表面进行勾平缝作业，降低渠道底部的粗糙度。

4 应用效果分析

为进一步掌握改造加固方案的效果，运用数值模拟软件COMSOL对改造加固效果进行模拟，对比分析渠道改造加固前后位移场和应力场变化情况。

4.1 衬砌板法向位移变化

衬砌板法向位移模拟中，设置计算步长为7d，计算周期为1a。模拟得到渠道换填前后渠道衬砌板法向位移情况，如图3所示。分析得到，从11月开始到次年的2月，基础土水在低温环境下开始冻结，土体冻胀量和衬砌板法向位移量逐渐增加，次年3—4月，数值开始逐渐减少，这与实际情况非常吻合。渠道换填前后，渠坡最大法向位移量分别为7.8、3.6cm，减少幅度达到54%；渠底衬砌板最大法向位移量分别为18.2、4.0cm，减少幅度达到78%。同时换填之后的位移分布更加均匀。

4.2 应力场变化

分析换填前后渠道发生最大法向位移量时(2月)的法向冻胀力和切向冻结力变化情况，如图4所示。由图3可知，最大应力发生在坡脚位置，换填之前最大法向冻胀力和切向冻结力分别为4.98、8.09MPa；采用块石套砌之后的应力情况得到明显改观，坡脚最大法向冻胀力和切向冻结力分别为1.34、1.40MPa，削减幅度分别可达到73%、83%。

图3 渠道换填前后衬砌板法向位移

图4 渠道换填前后衬砌板法向位移

综上分析可知，采用干砌石套砌方案后的渠道冻胀位移量得到有效控制，衬砌板结构应力分布更加均匀，最大应力得到大幅度削减，方案抗冻胀效果明显。

5 结语

在地下水水位埋深较浅、土体遇水软化等不良渠段中，可以采用浆砌石做骨架内砌矸石的方法，封堵地下水，增加渠道基础刚度，提高渠道衬砌结构整体性和稳定性。采用这种改造加固措施虽一次性改造费用较高，但较传统修补方法能大大延长渠道使用寿命，值得类似渠道工程推广借鉴。