渠道置換防凍脹標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模式分析

【摘要】作為季節(jié)性凍土地區(qū)一種重要的渠道防凍脹技術(shù)手段，置換防凍脹技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的問題。鑒于此，文章提出了渠道置換防凍脹標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模式，并結(jié)合新疆渭干河灌區(qū)干渠改造工程部分渠段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，利用該標(biāo)準(zhǔn)化模式計(jì)算得到的置換層厚度精確度較大，與最佳置換層厚度誤差不超過4%，對(duì)指導(dǎo)地區(qū)渠道工程建設(shè)具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】季節(jié)性凍土地區(qū)；渠道；置換防凍脹；技術(shù)模式

引言

新疆地區(qū)屬于季節(jié)性凍土，渠道多經(jīng)歷凍脹變形破壞，如不采用有效的防凍脹措施，將造成嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)，進(jìn)而影響灌區(qū)農(nóng)業(yè)效益的充分發(fā)揮。季節(jié)性凍土地區(qū)常用的防凍脹措施為換填非凍脹性或弱凍脹性材料，而現(xiàn)階段渠道置換防凍脹結(jié)構(gòu)形式有一定的差異，在相關(guān)方面也缺少足夠的技術(shù)理論支持。置換層厚度多通過經(jīng)驗(yàn)公式或借鑒相鄰地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)來確定，同時(shí)現(xiàn)行規(guī)范中的置換比并沒有明確，結(jié)果的精度較低。所以，通過確定標(biāo)準(zhǔn)化的渠道置換防凍脹技術(shù)模式，將有助于寒冷地區(qū)渠道工程的設(shè)計(jì)與施工。

1、渠道置換防凍脹標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模式

所謂置換防凍脹標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模式，就是通過規(guī)范結(jié)構(gòu)形式、適用范疇、置換厚度計(jì)算、技術(shù)要求等內(nèi)容，以最簡(jiǎn)便有效的方式提供地區(qū)混凝土襯砌渠道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)形式及其適用條件

在對(duì)新疆阿克蘇地區(qū)渭干河大型灌區(qū)渠道大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)普遍存在凍脹破壞嚴(yán)重、過流能力低、防滲能力弱等問題，且凍脹破壞成為渠道損毀的重要因素。結(jié)合地區(qū)渠道置換防凍脹技術(shù)應(yīng)用情況，提出渠道置換防凍脹標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)形式為“混凝土板過渡層復(fù)合土工膜置換層”。應(yīng)用此標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)形式過程中，需要注意兩個(gè)方面內(nèi)容：一是渠基土凍脹級(jí)別應(yīng)復(fù)合一定標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下需超過Ⅲ級(jí)或渠基土的凍脹量超過5cm，地區(qū)渠道凍脹破壞嚴(yán)重，且當(dāng)?shù)鼐哂胸S富的沙礫石等非凍脹材料；二是渠道建設(shè)以梯形斷面為主，中小型梯形渠道斷面選擇弧形坡腳、弧形底。

1.2 置換層厚度計(jì)算

就現(xiàn)階段而言，渠道置換層厚度的確定方法有很多種，包括經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值模擬和熱阻等效原理。渭干河大型灌區(qū)渠道建設(shè)中，置換層厚度的確定往往通過借鑒相鄰地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)值，此種方法應(yīng)用過程中存在很大的盲目性。通過經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果精度不高，會(huì)給工程建設(shè)帶來諸多不便。為此，文章在結(jié)合熱阻等效原理的基礎(chǔ)上，兼顧將渠道允許留置一定厚度的凍土層納入考慮范疇，建立了更加切合實(shí)際的熱阻等效方程，方程表達(dá)式如下：

渠道設(shè)計(jì)需消除的凍土層厚度可按照下面計(jì)算公式進(jìn)行：

所以，只要掌握渠道設(shè)計(jì)凍層深度、渠基土平均凍脹強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)，便可通過上式可計(jì)算得到渠道置換層厚度，這種方式較其他計(jì)算方法更具有實(shí)用性、簡(jiǎn)便性。

2、渠道置換防凍脹試驗(yàn)

2.1 渠道概況

新疆阿克蘇地區(qū)渭干河灌區(qū)位于天山南麓， 塔里木盆地平原北部， 其地理坐標(biāo)為東經(jīng) 80°37～83°59ˊ，北緯 41°06ˊ～42°40ˊ。灌區(qū)年平均氣溫7.1°C， 極端最高氣溫39.7°C， 極端最低氣溫-28.7°C。土壤凍結(jié)時(shí)間一般從11月5日開始，3月下旬全部解凍，最大凍土深120cm。實(shí)驗(yàn)渠段長度為40m，斷面形式為梯形，底寬1.2m，渠深1.55m；渠道設(shè)計(jì)流量為3.0～1.0m3/s，邊坡坡比1：1. 5，渠道設(shè)計(jì)縱坡為 1/1200，糙率0.015，超高為0.43m。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

參考標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)形式，試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)形式為：渠底和邊坡均采用8cm 現(xiàn)澆砼板厚，砂漿過濾層3cm，土工膜1mm， 置換材料選用砂礫石。按照置換厚度的不同，共設(shè)計(jì)4種實(shí)驗(yàn)方案：方案1不進(jìn)行墊層換填，作為對(duì)比段；方案2渠道邊坡由渠頂至坡腳換填厚度40～50cm，渠底40cm；方案3渠道邊坡由渠頂至坡腳換填厚度40～50cm，渠底50cm；方案4渠道邊坡由渠頂至坡腳換填厚度50～60cm，渠底50cm。實(shí)驗(yàn)中利用水準(zhǔn)儀，觀測(cè)渠道陰坡和陽坡三分之一處、三分之二處以及渠底中央凍脹量。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

渠道采用防凍脹措施后，地下水位均在渠底以下，渠道凍脹破壞情況得到大幅度的改觀。試驗(yàn)段渠道走向?yàn)槟媳狈较颍碚撋详幤屡c陽坡的凍脹量應(yīng)該較為接近，但由于土體凍結(jié)前對(duì)陰坡側(cè)農(nóng)田進(jìn)行灌溉，造成陰坡側(cè)土體含水量增加，使得陰坡凍脹量升高。綜合對(duì)比種實(shí)驗(yàn)方案可知，方案凍脹量最小，渠底最大凍脹量為0.8cm，不超過規(guī)范允許值。渠底采用 50cm 砂礫石墊層換填， 渠道邊坡由渠頂至坡腳采用50～60cm 砂墊石墊層換填。

3、結(jié)語

由經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式得到，渠坡和渠底的設(shè)計(jì)凍深分別為1.58m、1.36m。而觀測(cè)得到，渠道陰坡和陽坡的土壤平均凍脹強(qiáng)度分別為1.86、5.03，渠底為3.9，地下水距渠底1.84m。帶入相關(guān)參數(shù)，通過式1-3計(jì)算得到渠底的置換層厚度為0.52m，陰坡和陽坡的置換層厚度分別為0.58m、0.52m；而經(jīng)驗(yàn)公式得到換填砂礫石渠底：50cm，邊坡：陰坡為 50～60cm，陽坡為50cm，誤差不超過4%，達(dá)到工程安全運(yùn)行要求。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：陳紅川，男，（1981.09—），新疆阿瓦提縣人，畢業(yè)于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，工程師，研究方向：水利工程建設(shè)與管理。