浅议宝鸡峡东五支渠道衬砌工程抗冻胀设计及治理措施

郭晓玲

(陕西省宝鸡峡引渭灌溉中心，陕西 咸阳 712000)

1 灌区概况

宝鸡峡灌区位于陕西省关中西部，是陕西省最大的灌区。从渭河左岸引水，受益范围涉及宝鸡、咸阳、、杨凌、西安4个市(区)的14个县(区)，有效灌溉面积约283万亩，其中自流灌溉面积约占2/3，提水灌溉面积约占1/3。宝鸡峡灌区东五支渠灌溉礼泉、秦都、泾阳三县10.70万亩农田，全长31.2 km，设计流量2.84 m3/s，1971年建成受益。位于关中西部的渭河二级阶地上，属典型的季节性冻土地区，根据气象站台资料，最大冻深30 cm，多年平均冻深18 cm，为防御衬砌渠道基土受其冻胀而破坏，须进行抗冻胀设计。

2 灌区东五支渠道抗冻胀设计

2.1 抗冻胀设计常用参数

2.1.1 标准冻深H0

标准冻深即工程所在地区气象台站的多年冻深平均值，该区域标准冻深H0=18 cm。

2.1.2 设计冻深Hd

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23—91)第2.1.3条中的式(1)设计冻深。

Hd=KP·Kd·K2·H0

(1)

式中：Hd为工程设计冻深；KP为频率模比系数，由《渠系工程抗冻胀设计规范》中的图2.1.4 KP～H0关系曲线查得，三级建筑物(5%)KP=1.5。Kd为考虑日照及遮阴程度的修正系数。

各部位取值如下：向阳面：Kd=0.65；底面：Kd=1.20；阴面：Kd=1.50；K2为地下水影响系数，按表2.1.6确定，K2=1.0。

根据灌区渠道具体情况，各部位设计冻深计算如下：

向阳面：Hd=KP·Kd·K2·H0=1.5×0.65×1.0×18=17.6 cm

底面：Hd=1.5×1.20×1.0×18=32.4 cm

阴坡面：Hd=1.5×1.50×1.0×18=40.5 cm

2.2 冻胀量计算

《规范》规定：冻胀量应尽量在现场按照工程建成后的土质、水分、温度及运行条件，进行原型模似测定。实测存在困难时，可用式(2)计算。

地下水深埋地区：冻胀量h=(aP·f·Hd)/100

(2)

式中：ap为荷载修正系数, 对于小型渠道衬砌aP≈1.0；f为土的平均冻胀强度(%)，地下水深埋地区f=d2(ω-β2ωP)。其中，d2为系数，取值0.40；β2为系数，取值0.80；ωP为基土的塑限含水量(%)，东五支实测五组20个试样的平均塑限含水量20.27%。

ω为日平均气温稳定通过0℃前或后5 d内，标准冻深范围内土的平均重量含水量百分比。该含水量为衬砌工程按设计完建后衬砌板下各部位0℃前后的含水量；其在工程设计阶段是难以确定的数值，能参照本区域已建工程的实测资料。

根据1990年陕西省水科所、宝鸡峡管理局、陕西省水利厅科教处三单位联合完成的《大U形砼渠道施工工艺及防渗抗冻效果的研究》资料：对宝鸡峡塬上总干渠试验段的衬砌板后含水量，三次凿开渠道砼衬砌板，取土样测定，绝大多数在17%～23%(资料认为该段衬砌工程质量较好，缝内防渗处理也较理想，符合目前的设计要求)。

最终干渠的阳坡、渠底和阴坡在ω=7%～23%之间时的各部位冻胀量计算见表1。从冻胀量计算明显可知，对一特定地区，标准冻深H0，设计冻深Hd为一定值，而唯一影响冻胀量的因素为基土的冻胀期含水量ω，ω越高，基土的冻胀量就越大。

表1 各部位冻胀量计算表 cm

2.3 判定基土的冻胀类型

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》第2.3.2条地基土冻胀性分类标准，阴坡含水量在23%情况下，最大冻胀量h=1.098 cm，属Ⅰ类冻胀。

2.4 允许冻胀量计算

该渠道拟采用砼衬砌，根据流量及《规范》第3.2.3条，为衬砌高度小于1.5 m，所以衬砌渠道允许位移值为1.6 cm。

2.5 抗冻胀计算成果分析

东五支地基土冻胀期假定土体含水量23%，其阳坡、渠底、阴坡的土体冻胀量分别为0.477 cm、0.879 cm、1.098 cm，只有14+000～19+893渠段的阴坡冻胀量1.098 cm大于《规范》规定的允许位移量1.0，其余均小于《规范》规定的允许值。

3 抗冻胀治理措施建议

从抗冻胀计算的全过程看：在季节性冻土地区，形成土体冻胀的基本要素是：基土的冻胀性、能够产生冻胀的含水量和较低的冻结气温。这三个因素是衬砌渠道受冻胀以致破坏的充分且必要条件，采用适当的工程措施，使三种因素不具有同时性，基土就不会有冻胀出现，衬砌也就能避免冻胀破坏。通过对东五支渠道进行防冻胀设计，结合计算成果及规范，从适应冻胀、回避冻胀、消减或削除冻胀三个方面综合考虑，可以采用三种常用的治理方法：

(1)以转换基土的办法消除基土所固有的冻胀性。

(2)采用渠道防渗技术最大限度的降低基土的含水量。

(3)采用基土保温措施，以提高基土的温度。

结合工程实践来看，采用转换基土消除土体冻胀量虽是治本之法，但难以付诸工程实施。而常常采用的，也是行之有效的工程措施则是防渗及保温两种。对于地下水埋深较线的地区，防渗措施往往起不到控制基土内含水量的目的，常采用聚苯乙烯泡沫塑料板垫层保温。对于东五支渠地下水埋深大(大于20 m)可采用防渗工程措施，亦可采用保温工程措施。前者具有一举两得之效，即防渗抗冻又防渗节水，还具有投资小，易施工等特点。而后者则仅为抗冻胀而设，造价大，不易施工。本渠道衬砌设计将选用前者，即采用沥青玻璃丝布油毡(简称沥青布)铺贴部分阴坡衬砌板后的防渗工程措施，以降低衬砌板后基土的含水量，减小冻胀量，使其冻胀位移值满足抗冻胀要求。

4 结语

宝鸡峡灌区作为运行近百年的老灌区，面对新时期乡村振兴战略要求，灌区硬件和软件条件等方面还存在诸多不足和弱点。各级渠道是灌区的毛细血管和输水生命线，灌区管理者和技术人员应不断探索高效合理的渠道运维方式，提高渠道的灌溉过水能力，将有限的水资源尽可能地服务于“乡村振兴”，为新时期乡村振兴战略做出贡献。