毛细透排水带在渠道防冻胀中的应用

2021-07-30王绪存

宁夏工程技术 2021年2期

王绪存

（宁夏固海扬水管理处，宁夏中宁 755100）

宁夏固海扩灌扬水渠道是典型的农业灌溉渠道，受季节性冻土的影响较为严重，尤其是两侧为农田的挖方段渠道，受季节性地下水影响渠道基土冻胀突出，渠道混凝土衬砌板在基土冻融的影响下发生冻胀破坏。为了减小渠道的冻胀破坏，采取在渠道的边坡上铺设聚苯乙烯保温板[1]和渠道边坡换填沙砾石防冻层的方法，对基土的排水主要有渠底埋设排水暗管和渠坡沙砾石反滤层内埋设排水暗管等措施。而渠道铺设保温板后地下水无法排出，导致渠道混凝土板的冻胀再次发生。对于换填沙砾石，由于渠道边坡较陡，沙砾石换填级配难控制，大料滑向底部，边坡的冻胀难以清除；埋设的排水暗管容易发生堵塞等现象，均达不到预期防冻胀效果。

近年来，毛细透排水带广泛应用于坝体下游坡面排水[2]，公路、铁路、隧道等边坡衬砌排水[3]，垃圾填埋场渗漏液导流排水[4]和盐碱地的改良[5]等方面，并取得一定的成效。毛细透排水带具有内大外小的结构形式，利用毛细吸水原理水进入到毛细管，在表面张力的作用下水无法流出，在重力和虹吸力的作用下导管内的水流向出口，增加了排水效率，并在重力作用下水和土体颗粒自动分离，不会造成导管堵塞。与传统的渠道设置暗管排水相比，毛细透排水带具有排水效率高、不会淤堵等诸多优点，但毛细透排水带在渠道中尚没有得到很好的应用。本次试验采用聚苯乙烯保温板与毛细透排水带相结合的结构形式进行渠道防冻胀治理，探索毛细透排水带在渠道基土中的排水效果，了解渠道防冻胀破坏的成效。同时，为以后治理渠道混凝土板冻胀破坏提供新的思路。

1 渠道运行存在的问题及原因

宁夏固海扩灌扬水工程自1999 年开工建设，2003 年10 月建成通水。从中宁境内的高干渠取水，通过多级泵站向宁夏南部山区供水，主要解决宁夏中南部六县区十六个乡镇一百多个行政村的农田灌溉和人畜饮水问题。灌区的总土地面积为5.71 万hm2，工程设计灌溉面积为2.53 万hm2，设计引水流量12.7 m3/s（首级泵站的引水量）。目前实际控制灌溉面积（包括设施农业的补灌面积）为3.06 万hm2（数据来源于宁夏固海扬水管理处2019 年的《固海扩灌系统各县（场）作物种植结构调查报告》），占总土地面积的53.5%。固海扩灌扬水是宁夏中南部山区人民群众脱贫致富不可缺失的供水通道。

1.1 渠道运行存在的问题

固海扩灌扬水干渠为混凝土板衬砌的梯形断面渠道，衬砌结构自上而下为6～8 cm 厚预制混凝土衬砌板+0.3 mm 厚聚乙烯塑膜，板缝宽5 cm，采用细石混凝土填筑。渠道经过十几年的运行，混凝土衬砌板冻胀破坏严重，在渠道挖方段尤为突出，约占混凝土板破坏总数的76%。破坏形式主要表现为：板缝的细石混凝土开裂，约占46%；坡脚两层的混凝土板隆起、架空，约占28%；边坡混凝土板向渠道底部滑塌、错位等，约占12%；混凝土板出现整个坡面滑塌，失去固坡、防渗效果，约占6%；渠道巡护道路的雨积水、上部边坡的洪积水对渠道边坡混凝土板的冲刷和局部人畜因素破坏等，约占8%。

1.2 渠道改造段的地质条件及现状

针对渠道破坏的实际情况，固海扬水管理处于2018 年秋季对滑塌破坏现象较为严重的七干渠（13+050—13+420 段）进行砌护试验段改造，试验段总长370 m。该段为深挖方段，渠道两侧均为农田。该段渠道建在清水河河床的Ⅱ级阶地上，河床上部的地层分布主要为第四系全新统冲积壤土和黏土等，土层较厚，上部为粉质黏土层，土壤粒径小于0.075 mm 的颗粒含量达到30%～40%（数据来源于宁夏水利水电勘测设计院2000 年的《宁夏扶贫扬黄灌溉工程固海扩灌灌区工程设计资料》），属于典型的冻胀性土壤。

在渠道秋灌停水后，拆除该段的混凝土板时发现：原渠道隆起、架空的混凝土板后全部填满了泥土，有滑动迹象的混凝土板后的砂浆垫层上均有厚度不等的泥土，泥土中的含水量较大。渠底和边坡PE 膜下面的中下部基土中的含水量非常大，有些部位土体的含水量几乎为饱和状态，土壤含水量达到32%以上。

1.3 渠道混凝土板滑塌的原因

经过分析，造成渠道基土中的含水量大和渠道混凝土板滑塌的原因主要有以下几个方面：

（1）渠道为深挖方段，两侧为大水漫灌的高地农田，灌溉使得渠道两侧地下水抬高且无法排除，进而地下水向渠道底部和边坡两侧汇集，导致渠道基土含水量增大。

（2）渠道在每年的11 月底冬灌结束后，灌区的最低气温为负值，渠道内的明水基本排空，但混凝土板下及PE 膜后汇集了大量的水分不能及时排出；渠道混凝土板与土层冻结后，基土中水分体积增大，受土壤冻结力、冻胀力以及混凝土板自身收缩产生的拉应力等作用力的影响[6]，混凝土板被抬高，在渠道消融时，混凝土板与土体间的冻结力消失，混凝土板与填缝混凝土产生不均匀下沉，导致板缝开裂，随着渠道混凝土板冻融循环次数的增加裂缝逐步扩大。在渠道行水期间，有更多的水分和泥沙随着水的流动进入开裂的混凝土板后，在冻融循环中加剧了渠道混凝土板的破坏。

（3）受建设时期经济条件的局限，渠道衬砌没有采取防冻胀的措施，混凝土板受冻胀破坏严重。

（4）渠道衬砌为梯形断面，在渠道底板与坡脚板之间容易产生应力集中，造成坡脚混凝土板的隆起、滑塌。

2 渠道防冻胀措施及毛细透排水带的布置

2.1 渠道防控措施

预防控制措施：一是在渠道底部的基土中采用“排”的方式，将农田灌溉下渗到渠道基土中的水尽快排出，降低渠道底部及两侧的地下水位；二是渠道中的水采用“堵”的方法，减少渠道渗漏水对基土的影响；三是采取工程措施减小渠道的冻胀破坏。

排水方面：在渠道基土中埋设毛细透排水带排出基土中的渗透水，降低地下水位。在渠道中心线的基土中埋设DN110 PVC 排水管，坡面上埋设毛细透排水带，将毛细透排水带的一端与PVC 排水管相连接，通过毛细透排水带与排水管形成的排水系统来降低渠道底部土壤中的含水量。

衬砌方面：全断面铺设0.3 mm 厚200 g/m2一布一膜复合土工膜进行防渗，减少渠道渗漏；采用弧形底梯形断面形式[7]，在冻胀严重的底部及坡脚段采用15 cm 厚C20 混凝土浇筑，边坡采用6 cm 厚预制混凝土板砌筑，板缝间采用C20 细石混凝土填缝；混凝土板后的膜上过渡层仍采用3 cm 厚的M5 砂浆垫层[8]，并将土工布的一面向上铺设，防止砂浆垫层因摩擦力减小而滑动；在复合土工膜的下部铺设4 cm厚的聚苯乙烯保温板。

2.2 毛细透排水带结构及排水原理

毛细透排水带是由一种抗酸、抗碱性能优良的复合软质塑料制作而成，塑料薄片厚度约2 mm、宽度200 mm，在宽度方向上每隔1.5 mm 在中间开设直径约1 mm 的导流圆孔，在每个圆孔的下方开设约0.3 mm 宽的沟槽与圆孔相通，使沟槽与圆孔形成毛细管通道。从塑料薄片的断面看，每个圆孔与相连通的沟槽形成内大外小如“Ω”形状的吸水通道；这种特殊的结构形式，具有毛细、虹吸、重力和表面张力四种水的自然物理现象，形成毛细透排水带独特的排水机理[3]。

毛细透排水带的结构形式充分利用了毛细管的毛细吸水原理，使土壤中的水进入毛细导水管；由于导水管的毛细导水槽只有0.3 mm 宽，水进入导水沟槽后，会在沟槽的表面产生表面张力从而阻止水的回流，并使水进入圆形导流槽中；当土壤中的水在毛细管的水压力下充满圆形导流槽，导流槽中的水会形成压差（渠道边坡的高水位与PVC 管连接处出口间的低水位之间形成压差），在该压差的作用下，导流槽中的水会在重力和虹吸的双重作用下流向出口，并排到PVC 管道中；导流槽中部分水排走后水在导流槽内又形成负压，高位土壤中的水又在该负压的作用下被吸入导流槽，这样毛细透排水带周围的水在毛细压力和导流槽的负压作用下形成排水循环。

有试验表明，在土壤中埋设毛细透排水带能有效增强土壤的排水能力[9]；甚至有试验表明，在清水条件下，采用毛细透排水带后与滤料组成的综合渗透系数是未采用毛细透排水带的原滤料渗透系数的4～5 倍[10]。这表明在渠道基土中埋设毛细透排水带能大大增加基土的排水能力。同时，又因毛细透排水带在沟槽中开口面是向下铺设，土壤中的水在毛细作用下进入排水带，而土壤中的细小颗粒因重力作用向下沉淀，形成水土自动分离，土壤颗粒在重力作用下自然下沉，不会随水流进入导水槽中。这种结构形式，能有效防止渠道基土的细小颗粒进入排水系统，不会对渠堤产生扰动现象，可保持渠堤的长期稳定。

2.3 毛细透排水带在渠道中的布设与施工

2.3.1 排水带布设在渠道底部基土的中心线上铺设通长DN110 PVC 排水管，管道铺设的比降与渠道设计比降相同。在垂直于PVC 排水管两侧的渠道坡面上，每隔1.2 m 铺设一条毛细透排水带，将毛细透排水带的一端连接到渠底的PVC 管上，另一端沿坡面铺设到渠道的内边坡上，每条排水带的铺设长度为4 m，排水带顶部埋设高度为渠道边坡基土中含水量明显变化的位置。PVC 管道沿渠道改造段的首端一直铺设到改造段的末端，在末端将排水管引到渠道的外坡，并将排水管引入排洪沟道中做好排水的尾水工程，防止出现沟道冲刷。

2.3.2 渠道内的排水施工

（1）PVC 管的铺设。原渠道混凝土板全部拆除后，按照渠道设计的断面形式，将渠道衬砌断面的土方修整到位。在渠道底部向下开挖40 cm 深，底部宽度为40 cm 的梯形沟槽，边坡开挖坡度按照边坡的稳定为原则。在沟槽的底部铺设5～8 cm 的砂土，并将沟槽的比降按照渠道比降调整平顺后铺设DN110 PVC 排水管。排水管一直沿渠道铺设到改造段的末端，将排水管引到渠道外面的排水沟道内。在埋设DN110 PVC 排水管时把管道上游侧的一端直接封堵，避免泥土从管道端头进入排水管中。

（2）毛细透排水带的施工。在渠道两侧的坡面上每间隔1.2 m 的距离铺设一条毛细透排水带，每条毛细透排水带的长度为4.0 m。在渠道垂直于排水管两侧的坡面上开挖宽30 cm、深20 cm 的槽；整平后在沟槽内回填适量的砂土，将裁剪好的毛细透排水带铺设在修整好的沟槽内，毛细透排水带的开口面向下铺设。在PVC 排水管对应安装毛细透排水带的位置，在管道的中上部两侧分别用砂轮机切20 cm长、2 mm 宽的缝隙，将毛细透排水带插入PVC 排水管中，在排水带的上部（背面）用硅胶和胶带与开口的PVC 管粘接牢固，并将切割排水管时多切的缝隙全部用硅胶封堵严密，防止土体颗粒沿缝隙进入排水管中。排水带在边坡的沟槽内铺平，铺设时不能出现皱褶以免影响排水，排水带的上端口用硅胶全部封堵，避免泥土从排水带的端部进入排水带，造成排水带阻塞。随后用钉或者丝钩将排水带的上端固定在渠道的坡面上，并将固定排水带的钉头埋入基土中，不能外露到坡面上，以免造成后序施工中土工膜的破损。

（3）回填土施工。在PVC 管与排水带全部铺设、连接完成后，在PVC 排水管与毛细透排水带接口处30 cm 的范围内全部用砂土回填到设计高程，排水管其他部位的沟槽以及毛细透排水带的边坡槽全部用土料回填到设计高程，并夯实。

（4）渠道砌护施工。渠道基土上部的施工依次为铺设4 cm 厚的聚苯乙烯泡沫塑料保温板→全断面铺设防渗土工膜→底部及圆弧段现浇15 cm 厚的C20 混凝土→边坡铺设6 cm 厚的预制混凝土板等工序。这种渠道防渗衬砌结构已提出并实施了多年，均有现成的施工标准和方法，这里不在重述。

渠道衬砌结构及毛细透排水带铺设详见图1。

图1 固海扩灌七干渠改造段衬砌结构及毛细透排水带铺设图

3 渠道断面的观测及结果

3.1 观测点的设置

在改造的370 m 渠道中，分别在改造段桩号13+120、13+190、13+260、13+330 处设置4 个观测断面。每个断面分别在渠道的底部中心线、渠道两侧现浇圆弧段的顶部、渠道衬砌板的上板沿部位设置观测点，每个断面共设置5 个观测点进行渠道冻胀量的观测。

在渠道12+520 退水闸的闸墩上设置高程控制点，采用四等水准闭合测量的方法进行高程控制观测，开口宽度采用钢尺测量。为有效控制渠道的高程与开口宽度，在渠道混凝土浇筑和混凝土板的砌护过程中，在控制点采用预埋固定点的办法进行测量控制，在施工完成后、冬灌上水前对高程控制点进行闭合测量，开口宽度用钢尺测量并校正无误，在控制点上进行固定标记。

3.2 观测点的测量结果

在2018 年秋季该段渠道施工结束后对4 个观测断面上的20 个点进行高程和开口宽度的测量，作为后面2 个冻融周期测量的标准值进行对比。2 年内分4 次测量，分别在1 月大地全部封冻和9 月秋灌停水后（地下水位较高时期）进行测量。

4 个断面20 个控制点，经过两年4 次测量，与完工后控制点的测量值进行对比（表1）可知：80 组数据测得的高差数值在6 mm 以内的有18 个点，占总点数的90%；只有13+190 左侧混凝土上板沿点和13+330 右侧混凝土上板沿的测量值变化差值较大。渠道开口宽度的测量，冬季和秋季的长度差值均在10 mm 以内。PVC 排水管在2019 年6 月份开始有水排出，开始排水有些浑浊，在6 月下旬变为清水，到目前排水正常。砌护段渠道经过两个冻融季节的运行，运行良好，渠道底部的现浇混凝土板和边坡混凝土砌护的混凝土填缝间均无裂缝现象。有资料（宁夏水利科学研究院2005 年的《宁夏灌区渠道防渗防冻胀技术集成与应用研究》报告）表明，基土粒径小于0.075 mm 的土粒质量大于总质量的10%以上时，基土的冻胀量在6.4～17.3 cm。本次试验段实测渠道混凝土板冻胀的高差数据（90%的观测点）在6 mm 以内，充分说明渠道采用聚苯乙烯保温板和毛细透排水带排水相结合的结构形式，能有效控制基土对混凝土板的冻胀破坏，将渠道基土的冻胀量控制在合理范围内。本次试验在渠道的防冻胀中取得了良好的效果。