嚴(yán)寒地區(qū)渠道破壞類型分析及處理措施研究

盛 巖，王 豐

(新疆水利水電學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830013;2新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 概況

本工程位于歐亞大陸腹地中心，遠(yuǎn)離海洋，沿線經(jīng)過大陸性寒溫帶，干渠沿線屬新生代早期海相沉積物，分布廣范圍大，使渠道經(jīng)過沿線地層巖性較為復(fù)雜。干渠全長217km。

1.1 氣侯特征

氣候干燥，春秋兩季不明顯，冬夏冷暖懸殊，溫度相差較大。橫穿北部地區(qū)，氣溫受緯度和垂直地帶規(guī)律的影響，差異顯著。據(jù)氣象站統(tǒng)計，多年平均降水量為100mm;多年平均蒸發(fā)量為1844～3500mm;冬季較長，無霜期較短，最大凍土深度達(dá)1.97m。

1.2 工程地質(zhì)

按其工程地質(zhì)條件特征共分4段:第一段;以石英砂巖、泥質(zhì)砂巖組成，鈣質(zhì)膠結(jié)，干時堅硬，遇水易崩解軟化。屬中～弱膨脹巖土，滲透系數(shù)為6.2×10－5cm/s，屬弱透水性。第二段:粘土質(zhì)砂，5m以下為砂巖、泥質(zhì)砂巖，滲透系數(shù)為6.3×10－5cm/s，屬弱透水性，弱膨脹巖。第三段:以砂礫、角礫石土為主，滲透系數(shù)為3.2×10－3cm/s，屬強(qiáng)透水性。基底以砂巖、泥巖為主，沿節(jié)理裂隙面易軟化崩解，地下水位2.5－4.5m。第四段:以泥巖塊、砂礫石土為主，滲透系數(shù)為1.2×10－3cm/s，屬強(qiáng)透水性，基底以砂巖、泥巖為主，吸水率高，渠道滲漏影響較大。

1.3 渠水、地下水易溶鹽分析

按地質(zhì)分段進(jìn)行相應(yīng)的描述。在第一段干渠的代表性斷面處，分別對渠水、地下水取樣分析。根據(jù)試驗資料分析，渠道水質(zhì)較好，略呈堿性，不具腐蝕性。地下水硫酸根離子含量高，具有強(qiáng)腐蝕性。在第二段干渠的代表性斷面處，分別在渠堤、渠基的探坑中取樣，其各離子含量偏低，具有弱～中等腐蝕性。在第三段、第四段干渠的代表性斷面處，分別在渠堤、渠基的探坑中取樣，SO4－2、Cl－的含量較高，具有較強(qiáng)的腐蝕性。

1.4 存在的主要問題

根據(jù)實地勘查，填方段主要問題為滲漏破壞。干渠挖方段破壞情況較填方段嚴(yán)重，在挖方段渠道封頂板向上拱起、折斷;襯砌板與渠封頂板間出現(xiàn)塌陷變形;渠道水面線附近襯砌六棱塊出現(xiàn)波狀變形;局部地段襯砌現(xiàn)澆混凝土板下沉變形等。

按地質(zhì)分段進(jìn)行相應(yīng)的描述:第一段:主要表現(xiàn)為渠道過水?dāng)嗝嬉韵乱r板發(fā)生變形(隆起、下沉)、斷裂，水面以上相對較少。第二段:渠道襯板的斷裂，集中發(fā)生在水下的邊坡和弧底中部以及水位變動區(qū)。第三段:堤頂出現(xiàn)的縱向裂縫，最大寬度7～8cm。第四段:堤頂處渠道襯板及封頂板下沉及上拱。

2 渠道破壞分析及處理

2.1 凍脹破壞分析

當(dāng)渠道同時具備3個條件時，即出現(xiàn)凍脹問題:(1)土料中粒徑小于0.05mm的土粒含量按重量比大于總土重的6%。(2)凍深:大于標(biāo)準(zhǔn)凍深0.1m。(3)水分:凍結(jié)初期土料的含水量大于0.9倍塑限含水量;或地下水位至渠底的埋深小于土的毛管水上升高度加設(shè)計凍深［1］-［2］。在渠道的典型斷面中，經(jīng)過分析都已具備了前述的3個條件，因此，存在凍脹破壞現(xiàn)象。渠堤填筑料和渠基巖層均為凍脹土，干渠受其所處地理位置、巖性環(huán)境的影響，凍脹已成為渠道破壞的主要因素之一。

2.2 凍脹破壞的防治

目前工程中采用較多的處理措施有減少或消除渠基凍漲結(jié)構(gòu)型式用非凍漲土進(jìn)行置換、隔水和排水等方法。本工程采用的措施為:一是用非凍漲土置換渠基土，置換深度滿足抗凍漲的要求，使襯板與渠基隔離，從而消減渠基的凍漲。二是在剛性襯砌下面鋪設(shè)防滲層。如鋪設(shè)塑料薄膜，減少滲水，降低基土含水量，從而消除或減少基土凍脹量;三是在襯砌板下鋪設(shè)保溫層，如鋪設(shè)聚苯乙烯塑料泡沫板，提高渠基溫度，減少渠基凍土層厚度或完全避免渠基土凍結(jié)，從而消除渠基凍脹。渠道襯砌各部位凍脹量的不同，置換層深度也不同，渠道陰面置換層大，陽面置換層較小。渠坡最大換填厚度為0.5m、渠底最大換填厚度為0.8m。為防止渠道滲漏水與渠基接觸，采用砼板+土工膜的方式進(jìn)行防滲，渠道結(jié)構(gòu)采用非凍漲土置換+渠坡排水。因渠道本身的滲漏仍然不可避免，因此，設(shè)置排水花管作為渠坡滲漏水的通道，有效的避免了凍漲的發(fā)生。

2.3 膨脹破壞的分析

從施工期開挖情況看，沿渠線具有膨脹性的巖層從十幾米到一千多米長不等，而且分布范圍無規(guī)律，有的出現(xiàn)在渠底，有的出現(xiàn)在渠坡，也有全斷面分布，巖性主要為砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖等，根據(jù)實驗資料可知泥巖遇水后出現(xiàn)不同程度的膨脹，其中自由膨脹最高達(dá)360%。膨脹巖具有遇水膨脹，失水干縮的特點，膨脹土的變化引起渠道邊坡的變形，進(jìn)而影響渠道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，已成為渠道破壞的主要因素之一。

2.4 膨脹破壞的處理

膨脹的防治目前國內(nèi)外主要采取“避、治、防”?！氨堋奔丛谇肋x線時盡可能避開膨脹巖地段;“治”即采用各種措施改變膨脹巖的原有特性，以減免其危害，一般采用摻石灰或摻水泥的方法［3］?！胺馈笔欠乐古蛎泿r與水接觸，防止變形過大造成渠道失穩(wěn)破壞。比較有效的方法是優(yōu)化渠道防滲結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)防滲、設(shè)置排水通道。本工程采用了“防排結(jié)合”的辦法。雖然設(shè)置了防止渠道內(nèi)水外滲和降水入滲導(dǎo)致渠基巖土膨脹的措施，但很難保證完全沒有滲水產(chǎn)生，因此，還考慮采用了排水措施，將滲入渠基的內(nèi)水及外水排出，以削弱滲漏水對渠基的影響。采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲，排水采用因地制宜，結(jié)合地形進(jìn)行實施，通常采用排水料替換渠基換填料;若當(dāng)?shù)責(zé)o較好的排水料時，則采用集中管道排水(渠基排水花管+逆止閥、渠堤集中抽排)的辦法處理滲水。防止膨脹巖遇水后對渠道襯板產(chǎn)生膨脹破壞。

2.5 鹽脹破壞的分析

鹽脹破壞主要發(fā)生在較多的渠線土料中。當(dāng)溫度從高向低變化，無論是溶解在土溶液中的，還是以粉末存在的硫酸鈉，其體積增大3.1倍［4］，土體即發(fā)生鹽脹。而當(dāng)溫度從低向高變化或高于32.4℃時，晶體硫酸鈉又很快溶解于土溶液中，或恢復(fù)到原來的粉末狀態(tài)，使土體積縮小。如此反復(fù)的脹縮，土體結(jié)構(gòu)便發(fā)生破壞。使渠道混凝土襯砌板鼓脹、裂縫，其危害程度及形式與凍脹破壞相同。

2.6 鹽脹破壞的處理

對于易溶鹽的膨脹的防治通常采用化學(xué)法和置換法，由于化學(xué)法處理相對較復(fù)雜，且不易控制添加劑的量，處理質(zhì)量難以保證［5］。而置換法處理相對較簡單，且容易控制。因此，采用了非凍脹土替換渠基鹽脹土的置換法進(jìn)行處理，在渠基換填一定厚度不含易溶鹽的非凍脹巖土，使襯板+防滲體與鹽脹渠基隔離，處理深度等于設(shè)計凍土深。排水措施同凍脹處理方法。結(jié)合防凍脹要求，渠基換填1.2m非凍脹土，布置逆止閥，堤頂換填寬度2.5m;深度0.5m，堤頂采用土工膜延伸封頂。

3 結(jié)論及建議

(1)渠道沿線普遍具有膨脹、凍脹、鹽脹破壞的發(fā)生，因此，對渠基進(jìn)行必要的處理是不可避免的。在確定處理方案時不能單一，需要綜合考慮各種不利因素，進(jìn)行綜合防治。凍脹破壞防治是主要矛盾，可在進(jìn)行防凍脹設(shè)計時兼顧考慮膨脹及鹽脹的防治。一般對于凍脹、膨脹、鹽脹普遍采用了換填措施，同時還要進(jìn)行全斷面的防滲，并在渠底設(shè)置縱、橫向排水設(shè)施。經(jīng)長年運行觀測后，渠道襯板變形破壞基本消失。

(2)如果滿足防止渠基凍脹、膨脹、鹽脹的要求，就必須使渠基換填土的壓實最大干密度達(dá)到γd=1.89－1.98g/cm3，飽和抗剪強(qiáng)度 φ=29－35°，C=15－40Kpa;為了防滲材料不產(chǎn)生滑動，必須在膜料下布設(shè)砂漿墊層，即可保證減少在施工期膜料遭破壞的幾率，又可有效地提高膜表層與渠基的摩擦系數(shù)。

(3)渠道混凝土板墊層的選擇。由于部分渠段的渠堤、基土(砂巖、泥巖)的土料中普遍含SO4－2離子，并且渠堤大量采用了當(dāng)?shù)亻_挖出的砂巖、泥巖碎塊料，使SO4－2、Cl－的含量增加，對混凝土和鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性，因此，砂漿墊層必須采用抗硫水泥。

(4)渠道結(jié)構(gòu)的選擇。本工程結(jié)構(gòu)仍采用混凝土板+膜料防滲的方案，混凝土板采用1)現(xiàn)澆砼襯砌結(jié)構(gòu):采用10cmC20現(xiàn)澆砼板，其下鋪復(fù)合土工膜，渠基設(shè)2.5cm水泥砂漿墊層;2)預(yù)制砼襯砌結(jié)構(gòu):采用6cmC20預(yù)制砼板，設(shè)2.0cm水泥砂漿保護(hù)層，下鋪復(fù)合土工膜，渠基設(shè)2.5cm水泥砂漿墊層。

(5)渠基土的選擇。換填料首先考慮盡量利用附近的開挖料，當(dāng)在開挖料物理力學(xué)參數(shù)不能滿足要求時，填筑料應(yīng)考慮渠線附近的料場開采，并要滿足非凍脹土的要求，同時還要考慮滿足排水要求，其控制指標(biāo)為:粘土壓實度P≥98%，非粘性土(砂礫石、含土砂礫石)相對密度Dr≥0.8。

［1］侍克斌，劉后森，邱秀云等.引額濟(jì)克工程西干渠結(jié)構(gòu)及水力學(xué)試驗研究述［J］.工程力學(xué)(增刊)，1999(10).

［2］董淑芳，董新美.復(fù)合土工膜在砌石壩防滲中的應(yīng)用述［J］.山東建筑工程學(xué)院報，2002(01).

［3］寧守家.渠道襯砌防滲抗凍結(jié)構(gòu)設(shè)計述［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2003(04).

［4］郎向東等.現(xiàn)澆混凝土渠道裂縫的成因及防治述［J］.河南水利與南水北調(diào)，2007(09).

［5］朱強(qiáng).我國渠道凍脹防治綜述［J］.防滲技術(shù)，1996(02).