淺談渠道防凍脹設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題

□陳 芳（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）

□張艷萍（河南省鄭州水利學(xué)校）

一、渠道凍害問(wèn)題現(xiàn)狀

新疆位于我國(guó)西部邊陲，遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，屬于明顯的溫帶大陸性氣候：冬季長(zhǎng)、嚴(yán)寒，絕大部分地區(qū)的冬季氣溫在零度以下，其中準(zhǔn)噶爾盆地最冷月(1月)平均氣溫在零下20℃以下。

負(fù)溫下凍土區(qū)地表層存有冬凍春融的凍結(jié)融化層，土體發(fā)生的物理力學(xué)性質(zhì)的擠壓和減壓變化，直接影響著上部建筑物的穩(wěn)定性，如地表凍脹隆起、融化沉陷，導(dǎo)致基土上建筑物受到不同程度的破壞，其中預(yù)制混凝土板和現(xiàn)澆混凝土板護(hù)面的防滲渠最易受到凍脹的破壞，漿砌石和干砌石護(hù)面防滲渠次之。

新疆水資源具有“春旱、夏洪、秋缺、冬枯”的特點(diǎn)，季節(jié)性缺水對(duì)農(nóng)業(yè)正常灌溉影響較大，因此，防滲渠道在新疆運(yùn)用較為普遍。由于氣候寒冷，防滲渠道極易受到凍脹的破壞，有些凍脹危害發(fā)生在建成后運(yùn)行初期的1～2年內(nèi)，而有些卻發(fā)生在工程建成未運(yùn)行之時(shí)，因此，在渠道設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中必須研究防治凍害問(wèn)題。

二、渠道凍害機(jī)理

渠道防凍脹處理方案研究已有多年的歷史，渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成，渠基土受凍體積膨脹必須具備以下條件：一是寒冷氣候區(qū)持續(xù)的負(fù)溫條件；二是土壤中自由水和毛細(xì)水的存在，并且有通暢的水分補(bǔ)給通道；三是土壤本身的物理力學(xué)性質(zhì)，包括土的顆粒組成、礦物質(zhì)成份等。

在以上三個(gè)條件中，土壤中自由水和毛細(xì)水的存在是凍脹發(fā)生的先決條件，也是必備條件。在整個(gè)凍脹破壞過(guò)程中，水是最活躍的因素。

從上述導(dǎo)致土體凍脹的三個(gè)基本因素中，只有三個(gè)因素同時(shí)具備，才發(fā)生凍脹破壞，只要消除其中一個(gè)因素，就能防止和減輕凍脹危害。從目前新疆地區(qū)的氣候條件來(lái)看，外部溫度不達(dá)負(fù)溫是不可能的，因此只有采取保溫措施達(dá)到內(nèi)部不負(fù)溫。切斷凍土地基在凍結(jié)前、后的水分補(bǔ)給是過(guò)去防凍脹處理常用的方法，此外改變渠基土體的基本結(jié)構(gòu)也是保證土體非凍脹性的一種方法。

要切斷凍土地基在凍結(jié)前后的水分補(bǔ)給，通常是采用高填或排水措施來(lái)減少水分的補(bǔ)給。但是由于土體顆粒及物理力學(xué)性質(zhì)的決定，毛細(xì)水的作用不可忽視，毛細(xì)水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上，同樣會(huì)對(duì)渠產(chǎn)生凍脹破壞。例如庫(kù)爾勒市哈拉蘇農(nóng)場(chǎng)的一個(gè)小渠道，流量1.5m3/s，旁邊平行有一條深1.5～2m的排水溝，渠道為半挖半填渠道，在施工中就發(fā)生了凍脹破壞。因此對(duì)于細(xì)顆粒土體，要完全切斷水分的補(bǔ)給是不現(xiàn)實(shí)的，毛細(xì)水的凍脹破壞不容忽視；另外，近幾年由于冬灌水滲入渠基內(nèi)造成渠道發(fā)生凍脹破壞的實(shí)例也較多，如阿克蘇地區(qū)某渠道右岸為耕地，渠道設(shè)計(jì)為全挖方，地質(zhì)勘察渠基土為凍脹性土，地下水位5m內(nèi)未揭露，設(shè)計(jì)未采取防凍脹措施，但初運(yùn)行時(shí)由于冬灌水入滲渠基內(nèi)，渠道襯砌混凝土板出現(xiàn)鼓脹及裂縫。因此，旁滲水造成的凍脹破壞也應(yīng)引起足夠重視。

改變基土基本結(jié)構(gòu)的辦法是進(jìn)行渠基土的換填，就是用大顆粒的土體填入渠基，將原來(lái)的細(xì)顆粒土體挖走。這種換填工程量較大，若在凍土深度較大的地區(qū)使用，往往工程量是巨大的。

從目前情況看，任何工程要根本回避和解決凍脹三因素之一，從考慮經(jīng)濟(jì)和投資省的情況下，都是非常困難和把握不住的。因此在實(shí)際工作中，往往將幾種工程措施結(jié)合起來(lái)使用，即以回避一種因素為主，輔之以回避另一種因素的綜合措施進(jìn)行防凍脹處理。如在主要側(cè)開(kāi)挖排水溝降低水分補(bǔ)給的同時(shí)，對(duì)基土進(jìn)行一定厚度的換填；用風(fēng)積砂、砂礫石墊層或苯板進(jìn)行保溫，以減少凍脹破壞。

三、防凍脹措施設(shè)計(jì)

（一）凍脹性渠基的特征和有關(guān)參數(shù)

正確認(rèn)識(shí)渠基土凍脹機(jī)理，如何采取應(yīng)對(duì)措施，在渠基土防凍脹設(shè)計(jì)中，首先要明確幾個(gè)參數(shù)和有關(guān)規(guī)定。

1.防凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范

當(dāng)前，指導(dǎo)抗凍脹設(shè)計(jì)的有兩個(gè)規(guī)范，即《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL211-2006)和《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL23—2006)。

2.凍脹土的確定

細(xì)粒土及粒徑＜0.075mm的土粒重量超過(guò)土樣總重量10%的粗細(xì)土為凍脹性土。

3.地基土的凍脹量及凍脹級(jí)別的確定

進(jìn)行水工建筑物抗凍脹設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確定工程各計(jì)算點(diǎn)的地表凍脹量和建筑物地基土的凍脹量。前者是指年凍結(jié)周期內(nèi)凍結(jié)前地表至凍結(jié)膨脹后的地表在法線方向的最大差值，即季節(jié)凍結(jié)土層的總凍脹量；后者是指底板(墻體)熱阻影響的地基土(墻后填土)凍結(jié)層內(nèi)的總凍脹量。

（二）防凍脹設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題

1.采取置換措施的特殊考慮

某渠道計(jì)算得到地基土的凍脹量為2.04～2.12cm，根據(jù)地基土的凍脹級(jí)別判定，該渠道渠基土凍脹級(jí)別為Ⅱ級(jí)。

根據(jù)規(guī)范，當(dāng)渠基土凍脹級(jí)別為Ⅱ級(jí)，可結(jié)合渠道防滲要求采取整體式混凝土U型槽、弧形斷面或弧形底梯形斷面的板模復(fù)合襯砌、架空梁板式、預(yù)制空心板和漿砌石等渠道斷面及襯砌結(jié)構(gòu)。當(dāng)渠基土凍脹級(jí)別為Ⅲ級(jí)及以上時(shí)，可采用置換措施防止渠道襯砌板凍脹破壞。

由于新疆水資源年內(nèi)分配不均，因此，為保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)均采取冬灌措施，也就是冬季11月對(duì)白地進(jìn)行灌溉，保持土壤墑份?？紤]該渠線位于灌區(qū)內(nèi)部，受冬季灌溉水影響，渠道沿線地下水位仍有上升可能，另外，考慮渠道填筑土料均為低液限粉(粘)土，排水性較差，冬灌后田間側(cè)向補(bǔ)給水位消散較慢，有可能造成渠道襯砌凍脹破壞，除根據(jù)渠道規(guī)模在斷面型式上采取相適應(yīng)的措施外，仍需根據(jù)渠段不同巖性及地下水位埋深情況對(duì)其進(jìn)行防凍脹置換措施處理。如某挖方渠道左側(cè)為林地，地質(zhì)勘察顯示渠床地基土為凍脹性土，但地下水位埋深＞5m，因此，設(shè)計(jì)未考慮置換措施，但渠道運(yùn)行時(shí)冬灌水入滲左側(cè)渠堤，造成渠道發(fā)生凍脹破壞。

2.設(shè)計(jì)凍深計(jì)算控制因素

設(shè)計(jì)凍深值與渠道走向、渠床土質(zhì)、地下水位埋深、日光照曬遮蔭程度等有關(guān)，其中同一計(jì)算點(diǎn)不同部位的計(jì)算值也有所區(qū)別，因此，渠道設(shè)計(jì)凍深計(jì)算應(yīng)根據(jù)以上控制要素分段進(jìn)行計(jì)算。

渠道斷面各點(diǎn)的凍脹程度取決于土中含水量的高低，而土中含水量的來(lái)源，一是由渠頂向下滲透，二是渠道防滲層的漏水，三是地下水位高低影響。新疆防滲渠道大多采用土工膜進(jìn)行防滲處理，所以渠道滲漏量對(duì)土壤含水量的影響較小，而渠道沿線地下水位主要受田間灌溉水等的影響較大，因此，在設(shè)計(jì)凍深計(jì)算時(shí)需重點(diǎn)確定凍結(jié)期的地下水位 (工程地質(zhì)勘察要明確地下水位測(cè)量時(shí)間及項(xiàng)目區(qū)地下水位的變幅)，設(shè)計(jì)中應(yīng)以最不利地下水位埋深進(jìn)行計(jì)算。

3.置換材料的確定

新疆地區(qū)防凍墊層置換材料常見(jiàn)的有三種：當(dāng)?shù)夭牧?、砂礫石及保溫苯板。

當(dāng)?shù)夭牧现饕獮轱L(fēng)積砂、含細(xì)粒土砂等滿足非凍脹土料要求的土料，由于該料場(chǎng)大部分位于工程區(qū)附近，相應(yīng)造價(jià)較低。但選用時(shí)需慎重，如新疆某渠道選用渠線附近的風(fēng)積砂作為防凍脹置換材料，但在施工前檢測(cè)土樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，土料不滿足非凍脹土體的要求，究其原因是因?yàn)榈刭|(zhì)勘察時(shí)選料不具代表性，取料地點(diǎn)均選在風(fēng)積砂丘的迎風(fēng)面，背風(fēng)面未取樣，而施工時(shí)采用混合采料方式，粗細(xì)料混合后細(xì)粒土含量超標(biāo)。另外，部分渠道采用風(fēng)積砂或細(xì)粒土砂作為置換材料，土料中細(xì)粒土含量雖然滿足非凍脹性土要求，但顆粒偏細(xì)，細(xì)粒土含量接近于非凍脹性土的極限值，在取料、填筑時(shí)，一旦有少量細(xì)粒土混入(如渠道填筑土料)，就有可能成為凍脹性土，因此，在采用風(fēng)積砂等材料時(shí)，應(yīng)對(duì)其可靠性進(jìn)行充分論證。

4.置換厚度的確定

渠道防凍材料置換厚度應(yīng)根據(jù)不同渠段渠床土質(zhì)、地下水埋深以及渠道不同部分選取置換比，然后根據(jù)相應(yīng)渠段設(shè)計(jì)凍深計(jì)算。通常在確定置換厚度時(shí)，需參考當(dāng)?shù)匾延袑?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算值進(jìn)行綜合確定，如新疆和田地區(qū)采用砂礫石防凍墊層厚度應(yīng)不低于30cm，阿克蘇地區(qū)不低于45cm。

四、結(jié)束語(yǔ)

在渠道工程設(shè)計(jì)中采取置換措施防止凍脹破壞是較為常見(jiàn)方法，在設(shè)計(jì)中難以把握的問(wèn)題主要是渠床土中水的來(lái)源、材料的質(zhì)量(尤其是選用當(dāng)?shù)夭牧?和防凍墊層的厚度，因此，要求設(shè)計(jì)人員既要對(duì)當(dāng)?shù)剌^為成熟的防凍經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了解，還要對(duì)渠道沿線地下水位有充分調(diào)查，尤其是凍結(jié)期的地下水位埋深及影響地下水位埋深的因素要作詳細(xì)周密的分析論證；另外，當(dāng)?shù)夭牧线x樣是否詳實(shí)、具有代表性，施工取料是否影響質(zhì)量等都要慎重考慮，避免出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

綜上所述，渠系防凍脹問(wèn)題雖然屬常見(jiàn)問(wèn)題，但不同的地區(qū)、地貌、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件等因素導(dǎo)致采取的措施不近相同，這要求設(shè)計(jì)和施工人員要有高度的責(zé)任感和良好的職業(yè)道德，考慮周全，嚴(yán)格規(guī)范操作，只有雙管齊下，才能保證工程順利的實(shí)施。

[1]水利部農(nóng)村水利司中國(guó)灌溉排水技術(shù)開(kāi)發(fā)培訓(xùn)中心.渠道防滲工程技術(shù)[M]，中國(guó)水利水電出版社，2002.

[2]渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范SL18—2004[S].中國(guó)水利水電出版社，2004.

[3]渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范SL23—2006[S].中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4]水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范SL211-2006[S].中國(guó)水利水電出版社，2006.