遼寧東部地區(qū)干渠防滲減糙工程凍脹破壞分析

孫秀艷

(東港市水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督站,遼寧 東港 118300)

遼寧東部地區(qū)干渠防滲減糙工程凍脹破壞分析

孫秀艷

(東港市水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督站,遼寧 東港 118300)

摘要：干渠是農(nóng)業(yè)灌溉用水的最主要輸送通道，通過防滲、減糙工程改造可有效增加過水能力，減少滲漏損失，縮短供水時間，節(jié)省灌溉水量。在運(yùn)行管理過程中，渠道存在嚴(yán)重凍融破壞等問題，本文通過對典型渠道凍融破壞原因的分析，針對性提出了多種處理措施，為北方寒區(qū)渠道防滲減糙工程設(shè)計提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：東港灌區(qū);防滲減糙;凍脹;對策

我國北方地區(qū)，渠道和建筑物在冬季普遍受到基土凍脹的危害。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，引起水工建筑物發(fā)生凍脹破壞的原因是十分復(fù)雜的，凍脹破壞出現(xiàn)的原因不僅與當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)類型有關(guān)，還與當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)和溫度有關(guān)。由于襯砌渠道工程一般為護(hù)砌式結(jié)構(gòu)，厚度較小，因而所受凍脹破壞尤為嚴(yán)重。通過改善渠道凍脹破壞的影響因素，重視施工質(zhì)量、管理維修，才能達(dá)到滿意的防凍效果。

1典型防滲減糙工程概況

東港市東港灌區(qū)友誼總干渠工程始建于1975年[1]，全長36.65 km，規(guī)劃防滲減糙長度由渠首隧洞出口至倪家?guī)X全長17 km，目前已經(jīng)完成7.4 km，改造的目的，一是由于灌區(qū)不斷發(fā)展，面積逐年擴(kuò)大，原設(shè)計斷面已顯窄小，輸水能力漸低，形成了“卡脖子”工程，過去靠延長供水時間解決供水，既誤農(nóng)時又浪費(fèi)水量，嚴(yán)重影響灌溉質(zhì)量；二是想在不增加占地面積的情況下，提高過水能力；三是該段渠道有部分渠段筑堤土質(zhì)為沙壤土，透水性較強(qiáng)，極易脫坡，滲漏嚴(yán)重。為減少滲漏損失，增加過水能力，保持渠坡穩(wěn)定和改善環(huán)境等，必須采取防滲減糙措施。

寒冷地區(qū)的渠道基土受自然氣溫影響，每年都處于凍融兩種狀態(tài)，進(jìn)行渠道防滲設(shè)計時，如果僅計及基土處于融土狀態(tài)時的物理力學(xué)指標(biāo)及受力和變形狀態(tài)，當(dāng)基土發(fā)生凍脹時，渠道襯砌必然遭受破壞。渠道防滲體的凍脹破壞，不僅造成灌區(qū)維修管理費(fèi)用的增加，甚至嚴(yán)重影響水利工程效益的發(fā)揮。為此，要使渠道襯砌長期發(fā)揮防滲效益，亟待解決凍脹破壞問題。

2設(shè)計方案的確定

原設(shè)計渠道過水流量為15 m3/s，加大流量為20 m3/s，目前僅能通過13 m3/s左右，要通過現(xiàn)在規(guī)劃設(shè)計29.7～23 m3/s的流量，一個做法是拓寬渠道，但要新增占地面積18.66余hm2，特別是有個別渠段一面是山，一面是公路，拓寬困難，經(jīng)過多種方案對比，決定采用防滲減糙的措施[2]。其具體辦法是采取混凝土襯砌(混凝土現(xiàn)澆板厚度10 cm，下鋪40 cm砂礫石墊層)，將土堤糙率由0.025降低為0.017，同時將原土堤坡比1∶2改為混凝土襯砌的1∶1.5，加大過水?dāng)嗝鎇3]，在不增加占地面積的情況下，經(jīng)計算滿足灌溉所需流量。

3凍脹破壞原因分析

凍脹破壞主要是防滲渠道基層土受凍后體積膨脹，對上層混凝土造成破壞，截止目前，友誼總干渠減糙工程最長已經(jīng)運(yùn)行了三個冬天，主要表現(xiàn)為整體上抬、膨脹、裂縫、突起架空、滑塌錯位。經(jīng)分析，主要是因為基土由于水溫條件不均勻而產(chǎn)生的不均勻凍脹，以及基土與襯砌體之間的凍結(jié)力造成的約束作用所引起的膨脹，由于建設(shè)時與混凝土襯砌板結(jié)合緊密，體積膨脹后直接頂起混凝土板，致使混凝土板表面產(chǎn)生整體上抬、膨脹、裂縫、突起架空、滑塌錯位。凍脹破壞形式見圖1。

(a)

(b)圖1　凍脹破壞現(xiàn)場圖

4凍脹破壞處理方案設(shè)計

4.1砂礫料換填措施

在混凝土面板下部，將強(qiáng)凍脹地基土換填成非凍脹性砂礫，其換填深度在設(shè)計中采用了陜西水科所公式進(jìn)行計算。

(1)

式中：e為換填土層的厚度，cm；h為最大凍結(jié)深度，cm；δ為襯砌厚度，cm。

關(guān)于換填深度：日本規(guī)定為最大凍深的80%，瑞典規(guī)定在凍深小于90 cm時，全部換填，中國則一般為最大凍深的50%～80%。東港地區(qū)最低月平均溫度-8.6 ℃，極端最低溫度-28.3 ℃，屬寒冷地區(qū)，實(shí)測最大凍深為0.87 m，設(shè)計采用了最小換填深度，即40 cm。第一年秋后施工，僅完成底板澆筑，未采取任何防凍措施，春天發(fā)現(xiàn)底板普遍上抬達(dá)5～10 cm，并有局部斷裂現(xiàn)象。以廣勝跌水為界，分為上、下兩段，廣勝跌水以上多為挖方或半填半挖渠道，比降為1/3000～1/8000，為灌排兩用渠道，冬季地下水補(bǔ)給充分，滲流不斷；廣勝跌水以下多為填方渠道，比降為1/12 000，地下水位與地表比降一致，且地下水位較高呈飽和水狀態(tài)。設(shè)計沒有考慮排水措施，實(shí)際上欲將地下水位排到換填面以下幾乎是不可能的，在水分不能盡快排除的情況下，砂礫石層內(nèi)的水分凍結(jié)時，仍將產(chǎn)生較大的膨脹，并對基礎(chǔ)產(chǎn)生上抬作用，采取強(qiáng)排措施，費(fèi)用高，不可取，即在飽和水地基上采取的換填措施將會失去效果。施工中有相當(dāng)一部分換填體是在水中作業(yè)的，水下基土呈流塑態(tài)，在換填過程中，完全有可能出現(xiàn)基土中的細(xì)粒土充滿換填體的孔隙，使換填體喪失了部分或全部削弱凍脹的作用。

因換填體包圍在細(xì)粒土之中，設(shè)計中沒有采取隔絕措施，受滲流作用細(xì)粒土慢慢的侵入也完全有可能污染換填體，運(yùn)行久了，換填體也將失去作用[4]。至于局部護(hù)砌板塊斷裂原因是多方面的，如土質(zhì)的不同，凍結(jié)條件不同，換填體不符合技術(shù)要求，粉粘粒超標(biāo)等，產(chǎn)生了凍脹的不均勻性。換填深度取下限是偏于不安全的，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地質(zhì)條件、土質(zhì)條件等因素因地制宜確定換填深度。根據(jù)“凍土”理論，建議采用e=(0.7～1.0)(H-δ)公式計算換填深度e[5]。換填深度要根據(jù)當(dāng)?shù)貎錾?、凍脹條件，特別是土壤水分條件而定，一般情況下，在地下水位較低時取小值，地下水位較高時，換填深度應(yīng)達(dá)到全部凍深。應(yīng)該指出的是，由于砂礫料的凍結(jié)深度，在相同的條件下，要比細(xì)粒土的凍深大，所以，換填以后的凍深都要增加，因此，換填深度還應(yīng)考慮換填砂礫石對實(shí)際凍深的影響。

4.2取水保溫措施

已建的渠道襯砌，冬季地下水位偏高，渠底部位的襯砌事實(shí)上為飽和狀態(tài)地基，凍脹量達(dá)5～10 cm。為不使其遭到凍脹破壞，采用了取水保溫措施，使渠底混凝土板得到了保護(hù)，但也由于渠內(nèi)存水并結(jié)成較厚的冰層，冰面附近渠坡含水量較高，凍脹過程中，水分補(bǔ)給充分，凍脹量較大，但混凝土襯砌板的凍脹上抬受到冰層一側(cè)的限制，因而可能在冰緣線處，受彎出現(xiàn)裂縫或折斷，設(shè)計中在該部位配了筋，起到了抑制斷裂作用。同時，也由于渠頂凍脹量小，在距冰面以上1～1.5 m左右的坡長處(特別是背陰面)出現(xiàn)襯砌混凝土隆起，春季通凍后，不能回落到原高程，在逐年反復(fù)凍脹作用下，將會產(chǎn)生上部板塊順坡向下滑移，出現(xiàn)錯位，迭疊乃至遭到破壞。因此在水位變化區(qū)混凝土板下采取換填和埋設(shè)聚苯乙烯保溫板的綜合措施，即在水位變化區(qū)混凝土板下首先鋪20 cm粗砂，上鋪6～8 cm的聚苯乙烯保溫板，其上再澆筑護(hù)面混凝土，可避免上述凍害。

4.3渠床、渠底土壓實(shí)措施

用壓實(shí)法或強(qiáng)夯法提高渠道土密度以降低凍脹量的方法是最簡單易行的措施，壓實(shí)可使土的干密度增加、孔隙率降低、透水性減弱、凍脹變形減小[6]。渠床、渠底基土壓實(shí)處理時，先清除淤泥雜草，然后再進(jìn)行碾壓；翻松土壓實(shí)，還需視土料含水情況，如必須進(jìn)行扒松晾干，使其接近最優(yōu)含水量。每次碾壓的厚度需根據(jù)碾壓機(jī)械的壓實(shí)功能和土料性質(zhì)確定，一般不宜過厚。為確保工程質(zhì)量，應(yīng)隨時抽取碾壓土樣，現(xiàn)場測定干容重。

5結(jié)論

渠道防凍脹破壞工程設(shè)計施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。一是嚴(yán)格控制地下水位，地下水位必須低于砂礫換填面，并保持干爽狀態(tài)。二是換填砂礫料的鋪筑，渠底最好用壓道機(jī)壓實(shí)找平，嚴(yán)格控制密實(shí)度，坡面可采用平板振搗器振動壓實(shí)。三是優(yōu)先使用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，選用質(zhì)地堅硬，無風(fēng)化的砂石骨料，東港地區(qū)以無風(fēng)化的花崗巖碎石為好。精心設(shè)計試驗選擇配合比，嚴(yán)格控制水灰比，適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度標(biāo)號，提高凍融強(qiáng)度，由于渠道護(hù)面工程一般戰(zhàn)線較長，必須設(shè)專人嚴(yán)格控制。四是當(dāng)混凝土終凝以后必須加強(qiáng)養(yǎng)生，保持混凝土的濕潤狀態(tài)，至少需養(yǎng)生14 d以上。五是嚴(yán)格控制工程尺寸，保證完美形象。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀啟有，許聰，李瑞濤，等.東港灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造第十期工程[R].丹東：丹東市水利勘測設(shè)計研究院，2013.

[2]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范：GB 50288-99[S].北京：中國計劃出版社，1999

[3]中華人民共和國水利部.灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范：SL 482-2011[S].北京：中國水利水電出版社出版,2011.

[4]中華人民共和國水利部.渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范：SL 23-2006[S].北京：中國水利水電出版社出版,2006.

[5]中華人民共和國水利部.水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范：SL 211-2006[S].北京：中國水利水電出版社出版,2006.

[6]中華人民共和國水利部.渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范：SL 18-2004[S].北京：中國水利水電出版社出版，2004.

作者簡介：孫秀艷(1969-)，女，工程師，主要從事工程設(shè)計 、工程管理、大型灌區(qū)改造設(shè)計、質(zhì)量監(jiān)督等工作。

中圖分類號：TV698.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)06-0066-03