西北地区高扬程灌区渠道六棱体混凝土板衬砌防冻胀研究

王金恒

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400）

1 基本情况

1.1 工程概况

景电一期工程地处甘肃省白银市景泰县中部，在1969年底开始施工，到1971年底上水，是甘肃省至今50年以来最早建成的大Ⅱ型电力提水灌溉工程，具有跨省区、梯级多、高扬程、流量大等特点。耗资约6 608万元，该灌区呈长方形形状，总面积达36 680公顷，其中适宜于农业土地面积约占68%；灌区内地表水和地下水资源十分短缺，灌区从黄河提水。设计流量28.6，加大流量33，建有泵站43座，装机容量达25.97×104kW，其中主要提灌泵站13座，有6座坐落于总干渠，5座在西干渠，剩余2座位于总二支渠上；建成干、支、斗渠共1 391条，总长2 422 km，总投资8.56亿元，工程设计等级为Ⅲ等4级。该工程整体规划、分期建设。景电一期工程以“高扬程、大流量”而享有盛誉。

1.2 工程改造的重要性和必要性

景电一期工程始建于1969年，当时有很多方面条件制约，工程设计不全面，施工标准低，施工质量相对落后。从刚开始上水年底起，短短几个月，就有一些渠道发生了不同程度的渗水情况，甚至有地方出现水流跨渠淹没农田等现象，给灌区造成很大的损失，通水50多年来，渠道的混凝土自然老化，衬砌保护层脱落，滑坡现象日趋严重，该工程正常运行已存在安全隐患。因此，为使得工程正常且安全运行，在1996年将一些损坏严重的渠段列为“景电一期灌区续建配套与节水改造项目”的重点，每一年都进行检查和优化。

在中国北方季冻区，渠道的衬砌构件变形或损坏是影响施工效果发挥的主要原因。通过现场研究总结，渠道的衬砌构件变形或损坏形式主要分成两类：一类是施工质量不过关，制造过程中衬砌结构本身不符合设计标准，从而导致渠面出现裂缝，严重渠面还会出现局部塌陷等，相应的渠道防渗能力大大下降，水量损耗严重；而另一类是渠床基土不断发生冻融循环而造成渠道结构变形甚至破坏，原理主要就是“冷胀热缩”，最终导致衬砌板隆起、折断、坡面失稳滑动，衬砌结构遭到破坏，该渠道破坏断面对渠道过水能力有很大不利影响，在工程运行过程中存在很大安全隐患，是现在大多工程单位急需解决的一项重大难题。

2 渠道衬砌变形破坏原因分析

2.1 人为因素

在工程设计阶段设计人员没有对渠道基土进行研究分析，没有对地下水监测调查，只仅仅做了一些前期的水力计算和普通的衬砌造型设计，导致工程运行过程中衬砌结构破坏；还有一种情况是在设计方案合理的前提下，施工管理人员在施工阶段懈怠，没有严格地把控施工质量，造成后期渠道通水后有一定风险。这种渠道衬砌变形破坏，根本原因是设计与施工阶段人为造成的。

2.2 冻害类型

景电灌区气候属温带大陆性气候，冬天温度在0℃以下，零下气温对渠道衬砌与防渗工程是否良好起着至关重要的作用。渠道破坏主要有冻胀破坏、冰冻破坏和冻融破坏。该灌区的冻胀破坏，分为以下三个阶段：

（1）形成阶段。冻结期在灌区冬灌停水后就开始了，经检测，渠道基土水分含量较高，尤其在粘土地段。在季冻区，每年的三、四月份施工过程中不难发现，渠库基土在此时间段内形成饱和或不饱和冻土层，因为冻土层水量丰富，所以一些地段的冻土层在冻融后产生了膨胀变化表面开裂。因为该阶段整体上变形很小，肉眼不容易发现，所以，人们将这一微小的冻胀过程产生的变形忽略不计，假定渠道结构基本是完好的，该过程引发冻胀的各因素相互叠加，是渠道衬砌膨胀隆起、开缝脱落的起始阶段。

（2）发展阶段。该阶段由于土壤、水、温度等因素耦合作用，冻胀量随着时间推移逐年增加，裂缝数量及规模也加剧，局部不均匀膨胀愈加明显，衬砌砼板发生错动甚至脱落，这一过程就是恶性循环过程。

（3）破坏阶段。该阶段在不断冻胀循环的条件下衬砌板发生变形和位移，局部衬砌板会发生破碎，渠道断面整体发生偏心。经过冻胀过程，冻结层初始融化发生在春灌期间，冻结层下部仍处于冻胀状态，该冻结层不透水，土体水分达到饱和，土体抗剪强度低，稳定性差，上层未冻结构顺着冻结层冰面发生位移，此时，衬砌混凝土板无支撑作用而开始下滑，衬砌混凝土板掉落。该灌区渠道冻胀破坏如下图1、图2所示。

图1 渠道冻胀破坏

图2 渠道冻胀破坏

在景电工程设计方案中已包含了抗冻胀部分，因为固定投资额有所限制，所以不能完整的消除冻胀破坏现象，衬砌层保护的基土为强冻胀性土质，防渗能力较差，导致土壤中水分含量远高于初始冻胀时土壤含水量；在温度零下的冬天，由于冻结作用，土壤中水分开始运移并集中，程度严重会出现冰夹层，平常只会出现冰晶体，土体自身发生膨胀，膨胀的程度由各种条件决定，顺着渠道断面表现形式不同，使得渠道发生了变形和破坏，渠道工程的运行年限大大缩短。

3 六棱体混凝土板衬砌的优劣

六棱体混凝土板衬砌渠道是景电灌区引进的一项新技术，渠道护面采用正六边形混凝土板铺设，填缝采用聚氯乙烯泥。从渠道衬砌完成后，经过实际运行，效果非常好，六棱体混凝土板衬砌形式简单，六棱体六条边缝存在水压力分散，结构合理，应力相对减少，防冻胀效果非常好，在景电灌区已经开始大力推广。

3.1 主要优势

在单位块体面积相等的情况下，对于等面积的渠道面，铺设正六边形混凝土预制板块，其板块之间的总缝长度小于铺设正四边形所形成的缝隙。正六边形衬砌板块与其他各形状板块相比，正六边形衬砌板块之间的机械咬合作用强，所以在渠道发生冻胀时正六边形衬砌板块遭受破坏的程度及范围就大大减小。综上，六棱体混凝土板衬砌渠道在保障接缝质量的前提条件下，可以有效降低渠基土壤含水量和控制护面范围，是一种良好的应对冻胀破坏的衬砌形式。六棱体衬砌结构如图3所示。

图3 六棱体衬砌渠道

3.2 渠道防渗抗冻衬砌结构形式设计

在景电一期渠道工程实验研究经验证明，渠道表面使用六棱体混凝土板衬砌对降低渠道冻胀有很好的效果，还能防止渠底淤积，不影响水流过流能力，因此这种六棱体衬砌结构该推广使用。砼板一般为100～150号砼，厚度采用6～8 cm，实践证明，在3 m/s以下流速板厚6 cm就可以确保安全。更重要的是对基层采取合理的抗冻胀措施：如换填基土（30～60 cm砂砾石）。首先对冻土翻夯使得土质干容重达到最大，再在基土上铺设土工膜防渗。在西北一些很容易发生冻胀的地区，挡土墙结构非常实用，为方便起见当地要有丰富的石料资源，使用挡土墙结构必须确保衬砌施工质量，否则会发生严重渗水。为防止渗水，对渠道表面还可以采用水泥沙浆抹面，景电一期总干渠四至五泵站就采用了之一方法，并且渠道运行多年完好无损。对于地下水位较低的灌区，渠道采用砼与塑性薄膜复式结构，最下层是2～3 cm塑性薄膜，起防渗作用，避免基土含水量高而发生冻胀，过渡层采用50#水泥砂浆，最后在上边铺设六棱体混凝土板，六棱体混凝土板厚5～6 cm，混凝土板可以防下渗、防冲刷、防滑塌，对于渠道发生轻微冻胀有较好的适应性，冻融前后渠道表面基本未发生冻胀破坏，但这一方法对于地下水位较高的冻胀区不适合。而对于地下水位较高的灌区，当渠道下基土为粘土或壤土时，由于地下水的影响会发生强冻胀，渠道会发生十分严重破坏，这时可以采用砂砾石垫层换填，换填层厚度30～70 cm，换填层上再铺设不透水薄膜，过渡层采用50#水泥砂浆，表面铺设六棱体混凝土板，这样可大幅度降低冻胀量，减少衬砌结构的破坏。以上方案是经实践证实可以推行的设计方案。

4 结语

在对渠道衬砌冻胀变形的成因分析后，以及实际原型试验表明，西北地区高扬程灌区渠道表面采用六棱体砼板衬砌结构这一方案可行性高，可以有效地减小渠道冻胀破坏，该设计方案从各方面来说安全、经济、合理，可以更大程度的增加渠道工作时间。其效益主要有以下几点：（1）相比较其他形状衬砌结构，采用六棱体混凝土板衬砌结构更能降低冻胀量，避免渠道破坏。（2）采用六棱体混凝土板衬砌结构可降低水流在渠道运行时的损失率，为农业灌溉额外提供一部分可观的水量。（3）采用六棱体混凝土板衬砌结构可减少维修费用，确保渠道能够长周期安全运行。（4）采用六棱体混凝土板衬砌结构可有效防止水流下渗，减小对地下水的补偿，降低地下水位，防止或改善土壤盐碱化。（5）综合考虑，采用六棱体混凝土板衬砌结构这一方案可以为灌区农业丰收提供保障，推动灌区经济的繁荣发展。