新疆兵團(tuán)農(nóng)六師渠道防凍脹處理方法探究

□苑生慧（新疆五家渠農(nóng)六師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司）

1.兵團(tuán)農(nóng)六師環(huán)境概述

新疆兵團(tuán)農(nóng)六師地處新疆維吾爾自治區(qū)天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，成片狀散布于昌吉回族自治州和五家渠市境內(nèi)。農(nóng)六師地處歐亞大陸中心，遠(yuǎn)離海洋，為典型大陸性氣候。區(qū)內(nèi)氣候特點(diǎn)是冬季嚴(yán)寒，春季多風(fēng)，夏季炎熱干燥，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈。夏、秋季節(jié)晝夜溫差大、光照充足、熱量豐富。由于農(nóng)六師各團(tuán)場(chǎng)分散于昌吉州境內(nèi)，各團(tuán)場(chǎng)從南部天山山前到北部沙漠，從西到東，地勢(shì)高差懸殊，氣候隨著地勢(shì)高度而變化，形成區(qū)內(nèi)氣候的差異性。區(qū)域年平均氣溫2.4～6.6℃，最冷月（1月）的平均氣溫-12.6～-19.4℃。多年平均降水量為116～180mm。區(qū)內(nèi)降水具有不均勻的特點(diǎn)，即春夏季節(jié)（4-9月）降水量約占全年降水量的70%。

兵團(tuán)農(nóng)六師的地表水水源主要由13條河流供給，多年平均引地表水5.99億m3,全師地下水總資源量為7.42億m3，可開采最4.86億m3。主要土壤類型有灰漠土、草甸土、鈣土、鹽土、風(fēng)沙土等。

2.渠道凍脹破壞機(jī)理分析和凍脹原因

通過對(duì)已建工程觀察，兵團(tuán)農(nóng)六師的渠道損害形式主要以凍融破壞為主。原因之一是現(xiàn)有渠道襯砌材料，大多具有一定的吸水性，渠道工程又經(jīng)常處于水環(huán)境狀態(tài)之下，從而導(dǎo)致渠道砌體、堤岸基土中含有很多水分，這些水分在氣溫零下時(shí)就會(huì)凍結(jié)成固狀物體，其體積發(fā)生膨脹，膨脹量為水體的1.20倍左右，并與基土同時(shí)膨脹，膨脹的基土受到渠道內(nèi)剛性襯砌體的制約，就會(huì)對(duì)襯砌體產(chǎn)生凍脹力，當(dāng)這種凍脹應(yīng)力超過襯砌材料抗力時(shí)，渠體就隨之產(chǎn)生裂縫，增加吸水性和滲漏量，致使砌體結(jié)冰凍脹加劇破壞，經(jīng)過凍結(jié)、融化和凍脹應(yīng)力一次又一次的作用，最后，渠道防滲體就會(huì)遭到凍融破壞。

原因之二是土體不僅使初始凍結(jié)面的水分凍結(jié)膨脹，而且未凍區(qū)的水分在表面張力及毛細(xì)管作用下，會(huì)向凍結(jié)區(qū)遷移和擴(kuò)散，使凍結(jié)區(qū)的水分含量劇增，從而導(dǎo)致凍脹加劇。隨著冬季氣溫的不斷下降，基土的凍結(jié)深度會(huì)不斷加大，水分遷移和擴(kuò)散不斷進(jìn)行，基土的膨脹量不斷增大，襯砌體產(chǎn)生的凍脹力也在不斷增大，當(dāng)凍脹力超過渠道襯砌體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生的力時(shí)，襯砌體便產(chǎn)生不同方向的位移，如果位移超過允許位移時(shí)，襯砌體便遭到凍脹破壞。

決定凍脹程度有3個(gè)要素：地下水特征、基土含水量和土壤特性，兵團(tuán)農(nóng)六師的骨干渠道工程中都不同程度的存在。促成灌區(qū)渠道基土凍脹的內(nèi)因有：土壤顆粒的組成、物理性能指標(biāo)和水分特征，其外因是長時(shí)間的持續(xù)低溫。如果內(nèi)、外因同時(shí)存在，必然會(huì)產(chǎn)生渠道襯砌體凍脹破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

3.兵團(tuán)農(nóng)六師渠道防凍脹措施的優(yōu)先選擇方法

造成渠床基土凍脹的3個(gè)要素是相互聯(lián)系、相互影響的。缺少其中任一要素，渠床基土土體就不會(huì)產(chǎn)生凍脹，減少或削弱其中任意一個(gè)要素，就會(huì)減輕凍脹破壞的效果。兵團(tuán)農(nóng)六師為防止渠道襯砌體的凍脹，采取了一系列方法，從土、水、溫這3個(gè)方面著手，防止凍脹產(chǎn)生破壞。

3.1 換填法

農(nóng)六師范圍內(nèi)的大部分渠道位于山前沖積平原，渠道沿線的土質(zhì)一般以低液限粉土或低液限粘土為主，土中粒徑<0.075mm的土粒重量一般均超過土樣總重量的10%。依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》，該類土屬凍脹性土。為解決該類土的凍脹破壞，農(nóng)六師一般采取換填渠基土的做法。換填材料一般采用天然砂礫石或風(fēng)積沙，換填厚度一般為30～40mm。實(shí)施后運(yùn)行效果良好，基本未出現(xiàn)凍脹變形現(xiàn)象。

3.2 柔性防護(hù)型法

兵團(tuán)農(nóng)六師處于很多河道的下游，受上游河道來水的影響，大部分水庫周圍的地下水位較高，夏季六月、七月、八月份埋深約為1.5m，冬季埋深在1.8m左右。而這些水庫附近的土質(zhì)類型一般以低液限粉土為主。為解決這些水庫引水渠及放水渠凍脹變形，農(nóng)六師一般采用全斷面柔性防護(hù)的型式，如雷諾護(hù)墊、干砌卵石灌漿型式。兩種型式的應(yīng)用很好地解決了農(nóng)六師高水位區(qū)域渠系的凍脹、變形問題，且減小了維修管護(hù)費(fèi)用。

3.3 排水法

排水法一般分為內(nèi)排和外排2種，內(nèi)排主要用于地下水位較高且渠道外側(cè)無排水出路的挖方渠道，外排主要用于地下水位較高但渠道外側(cè)有排水出路的渠道。對(duì)于內(nèi)排，在工程設(shè)計(jì)中主要在防滲渠道邊坡增設(shè)排水孔，從而降低渠線的地下水位和基土含水量。對(duì)于外排，在工程設(shè)計(jì)中一般采用縱向排水與橫向排水相結(jié)合的辦法。即在渠道底板以下沿渠道走向首先布置縱向排水管，然后根據(jù)排水管的流量及渠道沿途的出路情況設(shè)置橫向排水管，從而降低地下水位和基土含水量，把渠床凍結(jié)層中的重力水及渠道旁滲水排出渠外，有效解決了地下水位較高渠道的凍脹破壞問題。該法所使用的排水體一般采用級(jí)配礫石和無紡布包裹PVC花管，縱橫向排水管的縱坡及管徑應(yīng)能滿足渠線兩側(cè)地下水的入滲補(bǔ)給流量。外排雖投資相對(duì)較高，但排水效果較好，故農(nóng)六師范圍內(nèi)一般均采用外排的排水方法。

3.4 間隔梁法

農(nóng)六師范圍內(nèi)的渠道發(fā)生凍脹破壞還與本師各團(tuán)場(chǎng)的冬灌有關(guān)系。冬灌造成渠道防滲結(jié)構(gòu)層下部的渠基土中含水量較高，從而易產(chǎn)生凍脹破壞。針對(duì)這種情況，根據(jù)渠道縱坡坡降的不同，每隔20～30m，在混凝土雙防渠道之間就要增設(shè)一個(gè)隔梁，這使一個(gè)整體的混凝土，被人為的分割成很多個(gè)小單元塊，這些做法的作用就是控制混凝土凍脹蔓延，甚至到了防沖的目的。該法的應(yīng)用，大大降低了本地區(qū)混凝土渠道的凍脹維修成本。

4.總結(jié)

對(duì)渠道防凍脹處理方式的選擇，關(guān)系到渠道的造價(jià)和施工的難易，必須慎之又慎。根據(jù)新疆兵團(tuán)農(nóng)六師的地理環(huán)境，文章分析了凍脹發(fā)生的機(jī)理，最后又提出了兵團(tuán)農(nóng)六師防凍脹的方法，為農(nóng)六師及兵團(tuán)防凍脹大面積推廣應(yīng)用提供了條件。

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