新疆灌溉渠道防滲抗凍脹設(shè)計方法研究

劉玉軍

（新疆水利廳金溝河流域管理處 塔城市 832100）

新疆地處亞歐大陸腹地，干旱少雨，水資源供需矛盾尖銳。農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的比例居高不下，缺水與浪費現(xiàn)象并存，如何提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率是制約新疆國民經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。渠系水利用系數(shù)是反映灌區(qū)水資源利用效率的重要指標(biāo)。由于新疆屬于嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土渠道在冬、春之交存在著嚴(yán)重的凍脹破壞，導(dǎo)致渠系輸水過重中滲漏十分嚴(yán)重。因此，結(jié)合阿克蘇市阿依庫勒干渠1#～4#號閘支、斗渠防滲工程的設(shè)計，提出新疆灌溉渠系防滲抗凍脹設(shè)計方法，旨在為同行提供參考[1-4]。

1 渠道縱斷面設(shè)計

根據(jù)渠道規(guī)劃布置方案確定的設(shè)計流量，綜合考慮渠道沿線的地層巖性、地下水埋深、建筑材料分布、現(xiàn)狀渠系建筑物和渠道穩(wěn)定性等因素，盡量使渠道設(shè)計達到工程量最小。因阿依庫勒干渠已改建完，擬防滲改建的渠道從干渠上引水，渠道首端高程已確定?，F(xiàn)狀渠道兩側(cè)多為樹木和耕地以及居民住房，渠道為老渠改建，受耕地引水高程的限制，渠道縱坡不宜做大的調(diào)整，通過方案比選，力求達到以下要求：

（1）保證渠道輸水安全、邊坡穩(wěn)定，滿足渠道不沖、不淤流速，滿足過水流量暢通無阻。

（2）渠道各渠段之間及建筑物上下游水面曲線平順銜接，水力條件良好，水流穩(wěn)定。

（3）力求占有耕地較少，工程量較小，施工運用管理方便。

2 渠道橫斷面設(shè)計

2.1 橫斷面型式選擇

渠道斷面型式可初步擬定為三種：U型渠道、弧形底梯形渠道和梯形渠道。由于弧形底梯形渠道較梯形渠道施工困難，本次渠道襯砌設(shè)計采用兩種斷面進行比選，即混凝土板襯砌U形斷面、混凝土板襯砌梯形斷面防滲。初步設(shè)計成果提交阿克蘇地區(qū)水利局后，水利局于2008年12月12日組織專家對初步設(shè)計成果進行審查，參會專家根據(jù)阿克蘇地區(qū)近幾年在渠道防滲改造實際運用中的調(diào)查總結(jié)，一致認(rèn)為梯形渠道施工方便，使用過程中運行管理方便，渠道破損后易于維修養(yǎng)護。設(shè)計組根據(jù)專家組對初步設(shè)計成果的審查意見，對兩個方案的優(yōu)缺點和投資等因素進行了進一步的比較，雖然U型渠道投資較梯形渠道節(jié)省，但差別較小，結(jié)合梯形渠道易于施工、方便管理、易于養(yǎng)護維修等優(yōu)點，本次設(shè)計推薦梯形渠道斷面。

2.2 渠道邊坡系數(shù)的確定

本工程共5條渠道，由工程地質(zhì)報告可知，其中1#閘一支渠、2#閘二支渠 0+000-0+160.21段、4#閘一支干渠0+000-0+350段的渠基土巖性均為角礫，建議渠道邊坡系數(shù)1∶1.75～1∶2.0。其余各段渠道的渠基土巖性均為低液限粉土，建議渠道邊坡系數(shù)1∶1.5。由于渠基土巖性為角礫的渠道長度較短，施工時要經(jīng)過夯實，其穩(wěn)定性增強，為方便施工將其邊坡系數(shù)調(diào)整為1∶1.5。按國家標(biāo)準(zhǔn)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB50288-99）表 6.1.19、表 6.1.22 規(guī)定，并參考已建工程，確定采用梯形斷面的混凝土板襯砌方案邊坡系數(shù)m=1.50。

（1）防滲設(shè)計。

根據(jù)本工程地質(zhì)報告，渠道沿線地層巖性主要由粉土質(zhì)砂及低液限粉土、粘土組成，具微透水性、中等透水性和強透水性，特別是填方渠堤質(zhì)量差，滲漏較嚴(yán)重，應(yīng)采取防滲措施。一般防滲材料有混凝土、塑膜、粘土等，隨著近幾年的工程實踐證明，用混凝土板作為防滲材料，有很好的防滲效果，而且使用壽命較長。

（2）防淤、防沖設(shè)計。

渠道從老大河上引水，水中含沙量大，老渠道渠線不順暢，縱坡緩，雜草叢生，糙率大，所以在流速較小的渠道淤積較嚴(yán)重。本工程解決淤積的措施主要是通過渠線裁彎取直，改善水力條件；縱斷面設(shè)計時在保證灌區(qū)引水高程的前提下，盡量增大渠道縱坡；采用混凝土板護面，減小渠道糙率。通過以上工程措施，基本上可以解決渠道淤積問題。

本次工程渠道設(shè)計流速為（0.61～1.89）m/s，由工程地質(zhì)報告可知，渠床土質(zhì)多為低液限粘土或粉土層，其允許不沖流速根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL18-2004），可按下式計算：

V——渠道允許不沖流速；

V0——水力半徑R=1m時，渠道的不沖流速，取0.6m/s；

R——渠道水力半徑，取V=0.72m/s時，R=0.345m；

α——系數(shù)，密實的壤土、粘土取，1/4。

由以上計算公式可知，渠基土的最大允許不沖流速為0.46m/s，小于渠道的設(shè)計流速，不能滿足渠道抗沖刷要求。因此，應(yīng)采取防沖刷措施?；炷令A(yù)制板防滲渠道的允許不沖流速小于2.5m/s，現(xiàn)澆混凝土板防滲渠道的允許不沖流速為4m/s，均大于渠道設(shè)計流速，因此，本工程防沖護面型式采用混凝土板。

3 渠道防凍脹設(shè)計橫斷面設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

本工程共5條渠道，由工程地質(zhì)報告可知，其中1#閘一支渠、2#閘二支渠 0+000-0+160.21段、4#閘一支干渠0+000-0+350段的渠基土巖性均為角礫，勘察期間未揭露地下水，不采取防凍脹措施，其余各段渠道的渠基土巖性均為低液限粉土，屬于凍土，需要采取防凍脹措施。本渠道在設(shè)計上采用以下工程措施以削減凍脹：將渠底凍脹土置換為非凍脹材料；盡量采用填方渠道。

3.2 設(shè)計凍深的確定

由工程地質(zhì)報告可知，工程所在地歷年最大凍土深度為0.62m，選最不利的渠道4#閘一支干渠做為典型渠道進行計算。根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL211—2006），設(shè)計凍深按下式計算：

式中Zd——設(shè)計凍深（m）；

φf——凍深年際變化的頻率模比系數(shù)；

ψd——日照及遮蔭程度影響系數(shù)；

ψw——地下水影響系數(shù)。

3.3 現(xiàn)狀凍脹量的確定

按照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL211—2006）附錄C的C.0.2條，粘砂性土的地表凍脹量查圖C.0.2-1得到邊坡地表凍脹量△h1=70mm，底部地表凍脹量△h2=65mm，根據(jù)表2.0.8土的凍脹性劃分標(biāo)準(zhǔn)，渠道邊坡及渠底中部為Ⅲ級。

3.4 抗凍脹方案比選

對凍脹土基可采用基土換填法或基土保溫法等措施進行處理，對此做兩種方案比選：方案一是基土換填法，一般常用砂礫料和風(fēng)積沙兩種土料，由于灌區(qū)內(nèi)部基本上沒有風(fēng)積沙料場分布，而砂礫料分布很廣且儲量大，經(jīng)取樣分析滿足設(shè)計要求，選用砂礫石防凍層；方案二是基土保溫法，采用苯板保溫防凍層。

（1）方案一：基土換填法（砂礫石）防凍層設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，本項目區(qū)內(nèi)部有大量天然戈壁料場分布，運距近，儲量十分豐富，且符合換填材料的指標(biāo)要求，可用來做為抗凍脹材料。

換填深度根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL 211-2006）（7.4.1）公式計算確定：

式中Z n——置換深度（m）；

ε——置換比（%）；

Zd——置換部位的設(shè)計凍深（m）；

δ0——襯砌板厚度（m）。

渠底和渠坡的置換比是根據(jù)渠道規(guī)模、走向、地下水埋深和土質(zhì)不同綜合分析按規(guī)范中的表7.4.1確定，渠底按60%置換，邊坡按50%置換，計算渠底置換Z n=0.41m，邊坡置換Z n=0.34m。根據(jù)當(dāng)?shù)匾殉晒Φ墓こ探?jīng)驗，確定渠底置換50 cm，邊坡置換為（40～50）cm。

（2）方案二：基土保溫法防凍層設(shè)計[5、6]

基土保溫法是通過消除基土凍脹過程中的負(fù)溫因素，從而避免渠道凍脹破壞的發(fā)生，渠道工程中通常采用聚苯乙烯泡沫板。根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL 211—2006）中第7.4.3條對保溫板的厚度要求：中小型渠道，采用聚苯乙烯板保溫時，其厚度可取設(shè)計凍深 Zd的 1/10～1/15，即（11～7）cm，根據(jù)氣候特點，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ痰某晒?jīng)驗，取苯板厚度為6 cm。經(jīng)市場調(diào)查，阿克蘇市苯板價格：250元（15 kg/m3），280 元（18 kg/m3），根據(jù)規(guī)范要求，渠道保溫苯板密度為（18～20）kg/m3，本工程取 18 kg/m3。

（3）方案優(yōu)選。

對砂礫料及苯板兩種抗凍脹設(shè)計方案，分別從投資、施工及當(dāng)?shù)亟ú膽?yīng)用等方面進行比較。方案一具有土方填挖量較大、施工工藝簡單的特點，可以充分利用當(dāng)?shù)靥烊唤ú?，扶持?dāng)?shù)厣笆虾Y分企業(yè)，而且工程投資較小。方案二雖土方填挖量較小，但工程投資較大，施工工藝復(fù)雜，從附表可看出，方案二比方案一防凍設(shè)計投資高6.52萬元/km，綜合考慮渠道防凍墊層推薦方案一。

附表 防凍設(shè)計方案經(jīng)濟比較表

3.5 工程實施以后基土凍脹量評估

基礎(chǔ)下的基土（砂性土）凍脹量按《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL 211—2006）中式（C.0.3）計算，計算如下[7]：

式中 △h’——基土凍脹量（mm）；

αp——荷載修正系數(shù)，計算得αp=0.7189；

β——查表得β=0.003；

p——計算點地基的荷載強度，為120 kPa；

Zb——基礎(chǔ)下的設(shè)計凍深（m）；

Zd——設(shè)計凍深（m）。

經(jīng)計算基礎(chǔ)下的基土凍脹量：道邊坡為3.75mm；渠底中部為3.83mm均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

在渠系規(guī)劃布置中，雖然注意了選用較優(yōu)的渠線，但要完全避開地質(zhì)條件差的地段，則難以辦到，故需改善其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。如采用泡水壓實法即使松散，多孔隙的土層預(yù)先得到濕陷，變得較密實和穩(wěn)定，使渠床土壤密實和穩(wěn)定，以減輕凍脹變形。同時，可以查出渠床的洞穴、滑坡、塌方等隱患，并可以及時處理。所以，渠道在設(shè)計環(huán)節(jié)可以緩解渠道輸水下來率低下的形勢，但要進一步提高輸水率則需要從渠系規(guī)劃做起。

1 郭忠.大型渠道混凝土襯砌防滲中機械化成型技術(shù)的研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

2 McKinney D C.Cai X.Linking GIS and water Resource management models：an method an obj-ectoriented method[J].Environmental Model-ing and Software，2002，17（5）：413-425.

3 毛德華，等.西北地區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境問題及其形成機制分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2004（4）：55-61.

4 粟曉玲，康紹忠.干旱區(qū)面向生態(tài)的水資源合理配置研究進展與關(guān)鍵問題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005（1）：16-172.

5 余書超.保溫型剛性護面渠道設(shè)計[J].農(nóng)田水利與小水電1993（11）：33-36.

6 余書超.一種理想實用的防凍保溫層[A].第五屆全國冰川凍土學(xué)會論文集[C].1996：303-306.

7 王俊發(fā)，馬旭，周海波.混凝土襯砌渠道凍脹破壞的機理及力學(xué)分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（2）：25-28.