大安灌區(qū)總干渠工程的防凍脹措施

趙 云 李 鵬

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

1 工程概況

大安灌區(qū)總干渠為灌區(qū)主要輸水渠道，全長28.174km，渠首設(shè)計流量為 63.08m3/s，渠道底寬由 26m漸變至 10m。原設(shè)計襯砌型式為渠坡采用現(xiàn)澆8cm厚PP纖維混凝土板，板塊尺寸為1.5×1.0米（順?biāo)飨驗?1.5米，寬為 1.0米)進行襯砌，采用現(xiàn)澆35cm×25cm（深×寬）混凝土底梁固腳，封頂采用30cm×20cm（寬×厚）混凝土板，并與渠坡現(xiàn)澆PP纖維混凝土板相垂直。板塊間采用聚乙烯閉孔泡沫板嵌縫，縫寬1.0cm，底梁每3米設(shè)一道伸縮縫，縫間采用硬質(zhì)聚乙烯閉孔泡沫板嵌縫，縫寬2.0cm。板下部鋪二布一膜，規(guī)格為（150g/m2∶200g/m2∶150g/m2），渠底不進行襯砌。PP纖維混凝土板、底梁和封頂混凝土強度等級均為C20，抗凍等級為F200。

2 總干渠凍脹情況

總干渠襯砌工程自2011年10月1日開工后，到2011年10月末，共完成了約11公里（雙側(cè)一共）。其中深挖方或全挖方渠道總長13744m，樁號 3+708-10+580，已施工完成了 5140m，分別位于水流向左側(cè)(南坡)3+708-3+908、4+308-5+924、6+400-7+414、7+646-8+234、9+139-10+100；右側(cè)(北坡)：9+139-10+100。到2012年 3月中旬，發(fā)現(xiàn)深挖方段或全挖方段的襯砌板塊（渠坡下部1～4塊部位）出現(xiàn)不同程度的隆起錯縫現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場發(fā)生的情況，對總干渠凍脹原因進行分析，并采取防凍脹措施，以避免2012年冬季再發(fā)生類似的凍脹變形，造成不必要的浪費損失。

3 地質(zhì)情況

3.1 地形地貌

本區(qū)地貌按成因類型及形態(tài)分為：人工堆積地形(I)、局部沼澤化微波狀崗地(II)及微波狀崗地（III）。

人工堆積地形（I）：地面高程 132.0～137.0m，主要分布于公路、鐵路和已有人工渠道人工堤處。

局部沼澤化微波狀崗地(II)∶地面高程128.0～134.8m，地面平坦開闊，局部地方略低形成較淺洼地，形成積水。分布于該工程區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)。

微波狀崗地（II）：地面高程 131.20～138.40m，地表微波狀起伏，寬度較大，分布呈島狀、條帶狀，部分已形成淺碟型低洼地。

3.2 地層巖性

灌區(qū)揭露地層有第四系全新統(tǒng)人工堆積地層（Q4S）及第四系上更新統(tǒng)沖積堆積地層（Q3gal）和第四系中更新統(tǒng)湖積堆積地層（Q2dl）。

3.3 水文地質(zhì)

工程區(qū)內(nèi)工作深度范圍內(nèi)地下水主要類型有上層滯水和第四系孔隙潛水。上層滯水主要賦存于上部含砂細粒土(2-2)和(3-2)層中；孔隙潛水含水層為第四系中更新統(tǒng)湖積堆積的細粒土質(zhì)砂(3-3)層中，受大氣降水補給，側(cè)向徑流向嫰江、查干湖及月亮泡排泄及越層補給孔隙承壓水?？辈炱诘叵滤桓叱淘?25-131m。

3.4 工程地質(zhì)評價

干渠3+708-7+416m多數(shù)為挖方段，少數(shù)為半挖半填段。設(shè)計提供進水口處渠底板高程133.18m，渠頂高程 137.65m，基礎(chǔ)大部分坐落在第四系上更新統(tǒng)沖積堆積黃土狀低液限粘土(2-1)層中，局部坐于含砂細粒土(2-2)層中。邊坡巖性為黃土狀低液限粘土(2-1)。

建議考慮水深和流量選定穩(wěn)定邊坡，邊坡高大于3m坡度相應(yīng)放緩，并防止凍脹、凍融和雨水破壞，需設(shè)置防護措施。

3.5 結(jié)論

大安灌區(qū)干渠地下水為第四系松散巖層孔隙潛水，勘察期地下水位高程在 125-131m，普遍低于渠底高程133m。

該段渠道坐落在微波狀崗地上，地層巖性為第四系上更新統(tǒng)沖積堆積黃土狀低液限粘土。該渠段土質(zhì)具有凍脹、凍融和雨水沖刷破壞的性質(zhì)。

4 防凍脹措施設(shè)計

4.1 渠道凍脹原因分析

經(jīng)現(xiàn)場勘察，產(chǎn)生變形破壞的主要是全挖方段或深挖方段的渠堤下部，即自堤腳處的1-4塊板不同程度隆起，而且板塊自身沒有裂縫斷開現(xiàn)象。從工程地質(zhì)說明看，總干渠地下水為第四系松散巖層孔隙潛水，地下水位高程在125-131m，普遍低于渠底高程 133m，地下水位沒有高過渠底；因此，造成渠堤土冬季產(chǎn)生凍脹引起混凝土板變形的主要原因，是渠道通水運行后，堤土因長期浸泡含水量高，處于飽和狀態(tài)，在秋季施工前沒有足夠時間將堤內(nèi)存水降到含水量，從而產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。因總干渠為一干渠試驗區(qū)灌溉輸水已經(jīng)兩年，運行水深在3m左右，下游二干、三干目前不具備通水運行條件，所以，總干渠秋季放空時只能經(jīng)過一干渠將水排入龍泉泡內(nèi)。但是，一干渠進水閘閘底板高出總干渠渠底 0.5m，造成總干渠冬季存水。2011年秋季開工建設(shè)總干渠防護工程，計劃工期兩年，即2011年10月1日到11月5日，和2012年4月2日到30日完工。工期緊張，施工強度高。工程招標(biāo)施工隊伍進工地后，9月24日總干渠內(nèi)依然有存水近0.5m，建設(shè)管理單位組織人員和機械設(shè)備進行強排，約7天后排干。10月1日正式開工建設(shè)。雖然地下水位在渠底下 3-9m，但是渠堤內(nèi)水的滲透系數(shù)小，水位降落緩慢，秋季日蒸發(fā)強度3mm/d，所以，只有表層土含水量有所降低。

經(jīng)過冬季四個月(12月到次年3月)，挖方段渠身受到側(cè)向水的補給后，匯到渠堤坡腳處出逸，造成凍脹破壞。

4.2 防凍脹計算

本區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)，一般10月底土層開始凍結(jié)，至3月達最大值，歷年最大值為2.30m，4月開化，5月中、下旬化透。同一地點，不同年份的最大凍土深度相差較大。

工程區(qū)標(biāo)準凍深凍土深度為2.0m，依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL23－2006）（以下簡稱《規(guī)范》）和《水工建筑物抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL211-2003）要求，對項目區(qū)混凝土襯砌渠道進行抗凍脹計算。

（1）設(shè)計凍深計算

本次選取襯砌方案為換30cm砂礫料進行計算，依據(jù)《規(guī)范》渠系工程設(shè)計凍深可按公式①計算：

式中：Zd—渠系工程設(shè)計凍深（cm）；Zm—歷年最大凍深，取2.0米（cm）；ψd—考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù)（ ψd= α + ( 1 - α )ψi），α取0.76，ψi取1.05，經(jīng)計算ψd為1.012；ψw—地下水影響系數(shù)，見《規(guī)范》附表；Zwi—計算點的凍前地下水位深度，以渠底換基深度 0.3米為基準，往上依次增加；Zwo—臨近氣象站凍前地下水位埋深（m）。

該灌區(qū)地表為連續(xù)分布的黃土狀粘土和黃土狀壤土，厚度穩(wěn)定，滲透系數(shù)平均值分別為1.14×10-5cm/s和2.94×10-5cm/s，屬相對不透水層，地下水位埋深多大于 3m（見《大安灌區(qū)初步設(shè)計報告》）。β—系數(shù)，查《規(guī)范》取0.79。

（2）凍脹量計算

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量hf依據(jù)《規(guī)范》，可按公式②計算：

式中：Zf—基礎(chǔ)下的設(shè)計凍深（m），由于基礎(chǔ)板厚度小于0.5米，按下列公式計算：

式中：δc—基礎(chǔ)板厚度（m），取 0.08m；δw—基板之上冰層厚度（m），取0；h—工程地點天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量（cm），查《規(guī)范》圖 3.2.2-3細粒土質(zhì)砂、含細粒土砂凍深與凍脹量關(guān)系曲線；hf—基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量（cm）。

經(jīng)計算，渠道下部的第一塊板，雖換填處理后，但仍有8.3cm凍脹變形，第二塊板有4.89cm凍脹變形，第三塊板有4.34cm凍脹變形，到第四塊板以上的變形會逐漸變小，從 1.96cm到0.98cm，滿足抗凍脹規(guī)范允許變形的要求。

（3）計算結(jié)果匯總

換基后渠道各部位凍土層凍深及凍脹量計算結(jié)果詳見表1。

4.3 防凍脹措施

本次防凍脹設(shè)計內(nèi)容為總干渠襯砌工程（0+000～11+124）中半填半挖段，樁號3+708-

10+580，段長6872m，兩側(cè)總長13744m，因2011年冬季已施工了5140m，雖發(fā)生了凍脹破壞，但隨著天氣的變暖土層融化，大部分隆起的板塊得到恢復(fù)，少部分板塊需要拆除后重新鋪設(shè)，渠道整體的運行能夠滿足日常灌溉的要求。

總干渠每年于8月20停水之后，由于當(dāng)?shù)赝临|(zhì)為低液限粘土，滲透系數(shù)小，為1×10-5cm/s，渠道挖方段及半填半挖段內(nèi)的水不易排空，為消弱凍脹，同參建各方商議后，決定采取增設(shè)排水體加排水孔來將渠堤內(nèi)的水排出。即將渠道堤腳位置以上4塊板下的渠基進行換填處理，換填材料采用30cm厚級配良好的砂礫石，且每塊板內(nèi)設(shè)置一處D100排水孔，排水孔長0.18米。總干渠防凍脹措施見圖1。

5 結(jié)論與建議

經(jīng)過一年運行，總干渠未再發(fā)生凍脹破壞情況，確定襯砌渠道的凍脹量與計算值差距不大，是符合實際的。

從長遠來看，采取置換措施解決防凍脹破壞是比較安全可靠的，但投入較大，因此建議根據(jù)凍脹實際情況，對發(fā)生凍脹破壞的位置進行置換，并輔助其他排水措施，綜合解決渠道凍脹破壞。

表1 砂礫料換基后渠道各部位凍土層凍深及凍脹量計算表

圖1 總干渠防凍脹措施設(shè)計圖