長距離明渠輸水渠道變形分析

紀風蘭

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，烏魯木齊 836403)

長距離明渠輸水渠道變形分析

紀風蘭

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，烏魯木齊 836403)

由于長距離明渠輸水工程存在工程條件多樣化、質(zhì)量標準要求高等工程特點，因而解決渠道變形問題是維持輸水工程正常運轉(zhuǎn)的關鍵問題。為了發(fā)揮輸水工程的各方面效益，對長距離明渠輸水工程中渠道變形問題進行深入分析，并提出相應的處理建議。

長距離明渠； 輸水工程；沉降破壞；凍脹；渠道變形；解決辦法

1 長距離明渠輸水工程的特點

中國水資源人均占有量約為世界平均水平的1/4，同時水資源的區(qū)域性差距導致16個省份低于嚴重缺水線，特別是西北地區(qū)已經(jīng)嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，影響人民生活水平的提高。為了改善水資源短缺問題，政府投入巨大的人力物力，建設長距離輸水工程。因此務必解決影響長距離明渠輸水工程正常運轉(zhuǎn)的各種問題。

對于長距離明渠輸水工程來說，最明顯的特點就是工程線路長、輻射面廣，因此具有復雜多變的地質(zhì)條件。在建設和使用過程中會出現(xiàn)多種多樣的渠道變形問題，最典型的兩種破壞形式為凍脹破壞和沉降破壞，其中沉降破壞一般包括填方不密實、膜后進水以及渠水外滲等問題引發(fā)的渠道變形[1]。

2 引發(fā)渠道變形的地質(zhì)條件

2.1 易引發(fā)凍脹破壞的地質(zhì)條件

土中含有的礦物成分情況及其顆粒分散性是土質(zhì)凍脹敏感性的兩個決定性因素，而且土質(zhì)的凍脹性與顆粒分散性成正比，與顆粒粒徑大小成反比。當土的粒徑<0.01～0.05 mm時引發(fā)凍脹問題的幾率會很高，并在0.05～0.002 mm范圍內(nèi)達到最高值。因而，若土質(zhì)中含有較多粉土及黏土成分凍脹性便會大幅提升。

根據(jù)此規(guī)律可以得出各類土質(zhì)條件的凍脹性情況：砂礫石<礫石土<黏土、亞黏土<亞砂土<粉質(zhì)土。并且土質(zhì)中親水性礦物成分含量越高的土具有的凍脹性越明顯，越容易引發(fā)凍脹破壞[2]。

2.2 易引發(fā)沉降破壞的地質(zhì)條件

在長距離明渠輸水工程施工過程中，一般為就地取材建造渠堤，從而渠堤填方土與原狀巖土的礦物成分及顆粒級配基本一致，但兩者的工程特性卻有很大的差別，其原因便是巖土壓實程度存在差異。

通過對比試驗的驗證可知，與天然結(jié)構(gòu)的原狀巖土相比，渠堤填方土的天然含水量、空隙比以及濕陷系數(shù)均有不同程度的提高，而天然干密度、飽和抗剪強度、壓縮系數(shù)以及壓縮模量均出現(xiàn)下降[3]。

綜合來看渠堤填方土的壓縮性提高，易出現(xiàn)沉降變形的問題。

表1 含細粒土砂的顆粒分析表

3 渠道變形問題分析

3.1 凍脹破壞分析

我國氣候類型復雜，大陸性季風氣候顯著，冬季盛行寒冷離陸風，導致西部及北部大面積國土出現(xiàn)多年凍土或季節(jié)凍土。在此環(huán)境條件下，當巖土溫度低于其凍結(jié)溫度時，土中的水分便會由濕土向正凍帶移動，同時在低溫下會變?yōu)楣滔噙M入土顆粒間隙，而水由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時體積有9%的提升，當體積膨脹達到顆粒間產(chǎn)生相對位移條件后凍脹現(xiàn)象就會產(chǎn)生。

凍脹問題在水分向已凍帶中不斷積聚的過程中逐漸嚴重，特別是在我國北部寒冷地區(qū)，運行中的長距離明渠會在持續(xù)的負溫及充足水源條件下引發(fā)更為嚴重的凍脹問題[4]。

對于三相體系的土體黏性土，在最適宜的飽和度條件下凍結(jié)，相應產(chǎn)生最大凍脹強度密度γdˊ一般用下式表示：

γdˊ=(0.8～0.9)γdop

(1)

式中：γdop為土的最佳密度，即凍脹系數(shù)接近于零的密度。

如果土體密度達γdˊ時而繼續(xù)壓密，土顆粒間的間距繼續(xù)減小，土體的凍脹系數(shù)則隨土中水分遷移量減少而降低，達到最佳密度時的含水程度已接近于該密度下土體的起始凍脹含水量(ω0)，土的凍脹系數(shù)降至零，這時土的最佳密度γdop可用下式近似表示：

(2)

由公式(2)可見，γdop是隨著土體起始凍脹含水量(ω0)及其顆粒比重G而變化，ω0 的大小可由表2查用。故只要渠基土能壓實到最佳密度以上時，便可起到完全防凍脹的效果。

表2 幾種典型的起始凍脹含水量

對于兩相土的情況，土中水分與密度之間的關系可用下式表示：

(3)

根據(jù)黏性土充分飽和至90%以上進行凍脹試驗結(jié)果表明，土體的凍脹系數(shù)(η)隨著密度(γd)增大而減小，它們之間的關系近似線性關系。

η=a-bγd

(4)

當γd達到最佳密度時(γd要達到1.8g/cm3以上)土的凍脹系數(shù)即為零。

導致巖土凍脹問題的主要因素包括水分、溫度及土質(zhì)，其中水分包括含水率和地下水位。由于長距離明渠工程線路長、范圍廣的特點，溫度及土質(zhì)因素難以消除和控制，只能在水分方面入手解決凍脹問題。

土的含水率受其密度的影響，而渠道在運行過程中難免會受到滲漏水的影響，因此要維持基土含水率在較低的水平下，必須通過控制其密實性來達到，即通過控制土的密度使凍脹系數(shù)趨近于零，起到防止凍脹的效果。

3.2 沉降破壞分析

在明渠運行過程中，渠堤及邊坡部位經(jīng)常會出現(xiàn)沉降變形的破壞問題。通過對渠道變形的形態(tài)特征及巖土性質(zhì)等因素進行綜合分析，一般可將渠道變形問題分為填方不密實引發(fā)渠道變形、膜后進水引發(fā)渠堤變形及渠水外滲引發(fā)渠堤變形等3個類型。

3.2.1 填方不密實引發(fā)渠道變形

在長距離明渠輸水工程中，由于填方土的自重作用，渠道的頂部較底部會出現(xiàn)較大的沉降。同時，填方土與渠沿石之間存在橫向應力，渠沿石與混凝土板塊之間還存在向下的摩擦力，當摩擦力大于混凝土板塊的自重時，便會引發(fā)混凝土板塊產(chǎn)生頂部沉降底部抬升的變形。

3.2.2 膜后進水引發(fā)渠堤變形

由于大量降雨及渠堤排水不暢，會導致表面出現(xiàn)積水，而填方土密實度低，難免出現(xiàn)滲透水的問題，積水和砂石進入膜下，當水的揚壓力超過混凝土板塊的自重應力時，便會拱起渠道混凝土板塊造成渠道變形問題。

3.2.3 渠水外滲引發(fā)渠堤變形

由于工程實施過程中難免出現(xiàn)局部渠道塑膜達不到設計強度的問題，在渠道運行過程中，塑膜強度較低的部位可能會出現(xiàn)滲透水的現(xiàn)象。在水的作用下會出現(xiàn)塑膜破壞，并且破壞區(qū)域逐漸擴大，巖土含水量提升，從而導致基礎巖土出現(xiàn)濕陷及沉降，渠堤土方在收到基礎沉降拉應力的作用下，進而出現(xiàn)變形破壞。

4 渠道變形問題的解決方法

4.1 對凍脹變形的解決方法

為了應對渠道凍脹變形問題，必須盡量減弱凍脹因素的影響強度。

根據(jù)我國長距離明渠輸水工程的實際條件，在解決凍脹變形時，可以采取以下措施的一種或有機結(jié)合其中幾種措施：

1)從水分、溫度及土質(zhì)3個基本因素方面著手，通過用非凍脹性土置換及對填土進行壓密，加強渠道各部位的防滲效果，提升渠堤排水能力，對渠道采取保溫措施等，減少凍脹變形的發(fā)生。

2)從渠道自身的結(jié)構(gòu)入手，盡量優(yōu)化渠道的結(jié)構(gòu)，從而能夠抵抗凍脹破壞的各種因素。

3)加強渠堤的整體性，嚴格控制置換材料。在進行土質(zhì)置換時，要保證在地下水位與置換土石料底部距離超過0.5m的條件下，置換材料粒徑<0.1mm的顆粒含量不超過10%。

4.2 對沉降變形的解決方法

1)若渠道變形是由填方不密實原因引發(fā)，最有效的措施便是去除沉降變形位置表面的混凝土板塊，以及上部兩米范圍內(nèi)的巖土，再將土方進行分層夯實至最優(yōu)密實度后，在表面鋪設混凝土板塊。

2)若渠道變形是由膜后進水的原因引發(fā)，則需要去除沉降變形位置的混凝土板塊，再將破壞位置的土方進行分層灑水夯實，在表面鋪設混凝土板塊。

3)在長距離明渠工程中，對于渠道濕陷原因產(chǎn)生的變形，一般出現(xiàn)的范圍廣，而對渠道正常運行不會產(chǎn)生較大的危害，可采取現(xiàn)場觀測的手段，至渠道沉陷平衡后，再針對實際情況采取措施。

5 結(jié) 語

我國在長距離明渠輸水工程中投入十分巨大，為了保證其發(fā)揮更大的效益，本文從長距離明渠輸水工程的渠道變形問題入手，綜合分析了長距離明渠輸水工程的特點，以及易引發(fā)渠道變形的兩種主要地質(zhì)條件，并對兩種渠道變形問題進行了深入分析，進而提出了相應的處理方法和建議。

[1]新疆水利水電勘測設計研究院.新疆引額濟克總干渠渠道邊形分析報告[R].烏魯木齊：新疆水利水電勘測設計研究院，2002.

[2]強魯斌,朱瑛潔,曹道寧,李迷,馬力剛.深挖方膨脹土渠道變形破壞形式及成因探討[J].人民長江,2014(06)：82-84+88.

[3]范麗君.北引總干渠渠道變形的成因與治理措施研究[J].黑龍江水利科技,2013,41(08):91-93.

[4]孟凡超,王明學,彭亮.引水總干渠局部段渠道變形分析[J].科技資訊,2007(31):41-42.

Deformation Analysis for Long Distance Water Conveyance Open Channel

JI Feng-lan

(Xinjiang Irtysh River Basin Development Project Construction Management Bureau，Urumqi 836403，China)

Due to the diversified engineering conditions and higher quality standard characteristics for long distance open channel，it is vital to solve the problem of channel deformation so as to maintain the normal operation of the water conveyance project.In order to play water transfer project benefits，a thorough analysis to the deformation problem of long distance open channel water channel engineering carried on and the proposal and relevant treatment are put forward.

long distance water conveyance open channel；water transfer project；settlement destruction；frost heave deformation；channels deformation；solution

1007-7596(2015)01-0025-03

2014-04-12

紀風蘭(1978-)，女，新疆烏魯木齊人，助理工程師。

TV221.2

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