淺議渠道防凍脹處理方法

楊利紅，崇巖峰

(1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050021；2.蔚縣水務(wù)局，河北 蔚縣 075700)

1 項(xiàng)目區(qū)概況

為促進(jìn)水資源的節(jié)約和高效利用，《21世紀(jì)初期（2001—2005年）首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》安排了灌區(qū)節(jié)水改造工程，河北省張家口市蔚縣壺流河灌區(qū)節(jié)水改造是整體工程的重要組成部分。蔚縣壺流河灌區(qū)為大型灌區(qū)，地處東經(jīng)114°12′～115°04′、北緯39°44′～40°11′，位于蔚縣盆地中西部的壺流河兩岸。灌溉工程西起山西省廣靈縣與河北省蔚縣交界的暖泉鎮(zhèn)，南至蔚縣北口峪，北至蔚縣北水泉鎮(zhèn)，東至蔚縣西合營(yíng)鎮(zhèn)，整個(gè)灌區(qū)沿壺流河呈帶狀分布，總面積320 km2。

1.1 氣象條件

蔚縣壺流河灌區(qū)位于張家口市西南部，海拔在850～2 882 m之間，屬大陸性季風(fēng)氣候，具有夏季炎熱、冬季寒冷、溫差較大、多風(fēng)少雨的氣候特征。灌區(qū)多年平均氣溫6.5℃，極端最高氣溫37.3℃，極端最低氣溫-35.3℃。灌區(qū)地面穩(wěn)定凍結(jié)日期通常在11月中下旬，穩(wěn)定解凍日期在3月中上旬，平均無(wú)霜期90～120d，年平均凍土深度1.3m，年平均日照時(shí)數(shù)2924 h，年平均蒸發(fā)量1 591 mm，年平均風(fēng)速1.8 m/s，年平均干燥度為2.06。

1.2 水文地質(zhì)條件

灌區(qū)大部分處于河流沖積平原的富水區(qū)，其次是山前堆積平原區(qū)，地下水賦存條件差異較大。

（1）河流沖積平原區(qū)：分布在壺流河沿岸狹長(zhǎng)地帶，包括一級(jí)階地及河漫灘，含水巖性以中細(xì)沙為主，局部粗砂、礫石，揭露深度2～5 m，地下水位埋深1.5～5 m，單井涌水量10～40 t/h。

（2）山前堆積平原區(qū)：①山前沖洪積扇富水區(qū)分布在石門(mén)峪、北口峪、九宮口峪等南山山前，巖性為砂礫卵石，局部漂砂或夾黏性土，含水層厚度相差懸殊，地下水埋深5～110m，單井涌水量大于40t/h。②山前沖洪湖積臺(tái)地貧水區(qū)分布在暖泉、宋家莊、陳家洼、西合營(yíng)一帶，呈零星分布，含水巖性以粗砂、粉砂、礫石為主，揭露深度為2～20 m，單井涌水量10～20 t/h。

1.3 工程地質(zhì)條件

灌區(qū)沿壺流河呈帶狀分布，以壺流河河谷為界，壺流河以北為淺山丘陵區(qū)，壺流河以南屬山前沖洪積平原區(qū)。灌區(qū)區(qū)域內(nèi)地勢(shì)比較平坦，海拔高度為800～1 000 m。

灌區(qū)土壤大部分為輕質(zhì)砂壤土，表層巖性主要為第四系上更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)，上更新統(tǒng)以沖洪積亞黏土、黃土狀亞砂土、砂及砂礫石為主；下更新統(tǒng)上部以湖相沉積黏土、亞黏土為主，下部以砂、砂礫石地層為主。

2 渠道凍脹破壞形式和原因分析

根據(jù)《21世紀(jì)初期（2001—2005年）首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》實(shí)施安排，蔚縣壺流河灌區(qū)2003年完成1期工程干渠襯砌45.36 km?？⒐さ谋备汕谇肋\(yùn)行兩年后，混凝土現(xiàn)澆梯形斷面的部分渠段出現(xiàn)了一些裂縫和凍脹，也有部分渠段出現(xiàn)隆起和斷裂等現(xiàn)象，不僅降低了渠道的防滲效果，還造成了水資源的浪費(fèi)，增加了灌區(qū)的每年維修費(fèi)用，給灌區(qū)的管理帶來(lái)不便。為能給2期工程的實(shí)施提供經(jīng)驗(yàn)，從現(xiàn)有的破壞渠道進(jìn)行分析總結(jié)原因，因地制宜地提出合理防凍脹措施。

2.1 凍脹破壞的形式

現(xiàn)澆混凝土板裂縫、隆起，一般位于渠底中部和渠坡（1/2～1/3）處常見(jiàn)位置，裂縫寬度為0.1～1 cm，隆高1～3 cm。

2.2 凍脹破壞的原因

根據(jù)已凍脹破壞渠段調(diào)查總結(jié)材料，地下水位較高的、深挖方的黏性土渠段，現(xiàn)澆混凝土板裂縫、隆起現(xiàn)象比較嚴(yán)重。渠道基土中含水量比較高，在冬季負(fù)溫作用下，土壤中的水分發(fā)生凍結(jié)而造成土體膨脹，使混凝土襯砌開(kāi)裂、隆起而折斷。在春季消融時(shí)又造成渠床表土層過(guò)濕，使土體失去強(qiáng)度和穩(wěn)定性，導(dǎo)致襯砌體的裂縫和隆起，同一渠段凍脹破壞又以渠底、渠坡下部和陰坡比較嚴(yán)重。

灌區(qū)防滲渠道凍脹破壞的主要原因包括：

（1）地下水位高。灌區(qū)從3月上、中旬開(kāi)始進(jìn)行春灌，封凍期停水。其間，黏性土渠基土含水量較高，排水不暢，渠基離地下水較近，凍脹量比較大；而渠頂凍脹量較小，凍脹分布的不均勻性導(dǎo)致混凝土板隆起和架空。

（2）混凝土板尺寸過(guò)大。現(xiàn)澆混凝土板過(guò)大不能適應(yīng)溫度變化引起的收縮變形，會(huì)形成縱、橫裂縫或隆起。

（3）沉陷裂縫。由于挖渠時(shí)對(duì)坡基原狀土的擾動(dòng)過(guò)大，致使邊坡基土密實(shí)度達(dá)不到要求，加上渠基回填土壓實(shí)度不夠、均勻性差，當(dāng)渠道兩側(cè)的耕地進(jìn)行灌溉時(shí)，灌溉水從耕地向渠道兩側(cè)回灌，侵入的水分到冬季產(chǎn)生凍脹造成混凝土板開(kāi)裂或滑塌。

3 渠道防凍脹措施的應(yīng)用

根據(jù)1期工程凍害形成原因，從實(shí)地情況的渠道設(shè)計(jì)、渠基處理、保溫以及襯砌的結(jié)構(gòu)形式等進(jìn)行綜合分析，2005年壺流河灌區(qū)2期防滲襯砌工程在保證安全的前提下，費(fèi)用最省、投資最小，因地制宜地選擇適合各渠段的防凍脹措施。

3.1 針對(duì)地下水位較高的措施

灌區(qū)渠首位于水庫(kù)下游，地下水位較高，采用M7.5漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)型式，實(shí)施渠底干砌石。該種襯砌型式整體性較好，抗凍能力強(qiáng)。其缺點(diǎn)是襯砌斷面大，造價(jià)高，渠床糙率高，在同等斷面情況下，過(guò)水能力小，所以在地下水位高不需要考慮滲漏的渠首部位采用該種型式。

對(duì)于地下水位高的黏性土渠段，采用換填法，將凍結(jié)深度內(nèi)的黏性土換成非凍脹性材料砂礫碎石墊層，渠基含水量大大減少，有效防止了凍害的發(fā)生。

3.2 針對(duì)混凝土板尺寸過(guò)大的措施

干渠底寬大于1.50 m的渠道采用弧形坡腳梯形斷面在渠底加兩條肋梁，底寬和邊坡大于3m的進(jìn)行切縫，如圖1所示；小于1.50 m的渠段及支渠均采用U形斷面，如圖2所示。

弧形坡腳梯形斷面渠底加肋梁、U形斷面襯砌渠道在《21世紀(jì)初期（2001—2005年）首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》張家口市各灌區(qū)2期工程中開(kāi)始應(yīng)用，目前張家口地區(qū)的5個(gè)灌區(qū)得到了廣泛的推廣實(shí)施。與梯形、矩形斷面相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是：①水力條件好，近似最佳水力斷面，過(guò)流能力優(yōu)于梯形渠道，輸沙能力強(qiáng)，有利于高含沙引水；②斷面結(jié)構(gòu)加肋梁可以增加混凝土板的剛度，渠底、邊坡切縫可以使不規(guī)則裂縫規(guī)則化；③可以大面積采用機(jī)械化施工。

圖1 干渠襯砌斷面

灌區(qū)還采用了隔熱保溫措施，即在渠道襯砌體下面鋪設(shè)一層厚度為12 cm的聚苯乙烯保溫板，它阻止或削弱了渠床基土與外界的熱量交換，不使基土溫度大幅度下降，減少了凍結(jié)深度，可有效地避免渠道凍脹破壞。聚苯乙烯保溫板具有吸水性小、不透水、耐腐蝕、抗老化等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是與弧形坡腳梯形斷面渠底加肋結(jié)構(gòu)防凍相比造價(jià)高，地下水位高的渠段不適合，容易被浮托。

圖2 支渠襯砌斷面

3.3 針對(duì)沉陷裂縫的措施

灌區(qū)節(jié)水改造工程施工中一般采用機(jī)械化施工，對(duì)渠道開(kāi)挖一次成形，容易超挖。為了避免超挖，應(yīng)采用挖掘機(jī)粗挖、人工精挖的方法，盡量不超挖，萬(wàn)一出現(xiàn)局部超挖現(xiàn)象，則利用修整的土料灑水進(jìn)行夯實(shí)回填?？傊?，回填土壓實(shí)度要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，混凝土抗凍性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，杜絕因施工質(zhì)量渠道產(chǎn)生凍脹破壞現(xiàn)象。

此外，冬季不運(yùn)行的渠道封凍前應(yīng)將渠道中的余水排干，保持渠道干燥，這樣可以減少凍脹對(duì)渠道的損害。同時(shí)，對(duì)產(chǎn)生凍脹破壞的渠段要及時(shí)維修，以免破壞現(xiàn)象擴(kuò)大蔓延。

4 結(jié)語(yǔ)

渠道凍脹破壞在河北省張家口市大多數(shù)灌區(qū)普遍存在。該地區(qū)混凝土襯砌渠道技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，各灌區(qū)節(jié)水1期和2期實(shí)施項(xiàng)目工程現(xiàn)澆混凝土渠道完好率在95%以上。所以，總結(jié)渠系防滲抗凍脹技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，不斷完善和推廣渠系防凍脹工程技術(shù)，是提高灌溉用水有效利用率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要保障，更是為農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。