渠道砼板砌護(hù)凍脹分析與“U”型斷面砌護(hù)技術(shù)

馬金萍+孫升

摘 要：該文就渠道砌護(hù)現(xiàn)狀及各類砌護(hù)類型凍脹狀況展開分析，進(jìn)行渠道凍脹特點(diǎn)及具體形式的深入性闡述，實(shí)現(xiàn)了不同種防凍脹措施的制定，進(jìn)行了不同渠道襯砌方案抗凍脹性的綜合性分析。

關(guān)鍵詞：渠道凍脹；“U“型斷面；砌護(hù)技術(shù)；水利建設(shè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.087

1 工程狀況

某市沙坡頭區(qū)引黃灌區(qū)屬于大陸性氣候，其蒸發(fā)狀況比較強(qiáng)烈，屬于溫帶大陸性氣候，灌區(qū)平均降雨量在178. 5毫米以下，主要集中于7月份至9月份，蒸發(fā)量大約為1900毫米。該市沙坡頭區(qū)引黃灌區(qū)分為南北兩個(gè)灌區(qū)，其中有一條干渠、七條支渠，全長大約為168公立，引水流量為每秒60立方米，控制灌溉面積約為2.7萬公頃，年引水總量越為7.1億立方米。南北灌區(qū)共有排水干溝九條，全長大約為171公里，排水流量為每秒32立方米，年排水總量為1.7億立方米，其水利設(shè)施比較完善，形成了比較健全的灌排體系。

2 凍脹破壞的形式和特點(diǎn)

該市沙坡頭區(qū)引黃灌區(qū)大約有支斗渠1161公里，采用塑料薄膜、混凝土板、砌石防滲砌護(hù)長約69公里，襯砌破壞長度約為80公里，斗渠襯砌破壞比支渠嚴(yán)重。在渠道襯砌破壞中，水力破壞占到15%，施工質(zhì)量問題占到25%左右，大部分的襯砌破壞狀況均由凍脹破壞造成。

2.1 渠道凍脹破壞類型

渠道凍脹破壞主要分為以下幾個(gè)類型，根據(jù)破壞程度分類主要有凍脹開裂復(fù)原型，襯砌面開裂后其表面尚平，裂縫兩邊襯砌體不錯(cuò)位，縫寬在1厘米以下，凍土消融后部分閉合。凍脹隆起滑塌型主要是渠道坡角處襯砌體受到破壞。凍脹破壞是一個(gè)由輕到重的過程，首先是凍脹開裂，導(dǎo)致渠道變位隆起至滑塌，滑塌狀況主要出現(xiàn)在春季消融階段，渠坡最下面三塊預(yù)制板處的渠底是支渠凍脹破壞最為嚴(yán)重的部位。坡角及上下兩板接縫處是斗渠凍脹破壞嚴(yán)重的部位。襯砌體結(jié)構(gòu)凍脹破壞型主要是襯砌板體本身受到凍融破壞的影響，板體表面水泥脫落，缺乏足夠的硅強(qiáng)度。

在凍脹破壞程度較輕時(shí)，需要及時(shí)開展維修，如果凍脹隆起的部位不能恢復(fù)到原狀，冬季來臨時(shí)，其原先已凍脹隆起的基土?xí)霈F(xiàn)凍脹變形狀況，凍脹隆起的土體內(nèi)存在大量的冰夾層。渠道變形時(shí)的襯砌體容易受到行水時(shí)的破壞，不利于提升渠道的整體質(zhì)量。

2.2 凍脹破壞特點(diǎn)

粉質(zhì)壤土是該渠道的基土，部分渠段為粘土及粉沙土，屬于強(qiáng)凍脹類基土，陰坡一般比陽坡凍害嚴(yán)重，渠坡下部一般比渠坡上部重，渠道凍脹存在不均勻性的特點(diǎn)?；羶雒泦栴}導(dǎo)致渠道襯砌凍脹破壞問題。在凍脹過程中，渠底斷面線不斷抬高，坡腳及坡頂逐漸減小，導(dǎo)致渠道基土斷面出現(xiàn)變形狀況，由于襯砌質(zhì)量較差，結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)較大的凍脹狀況，導(dǎo)致渠道結(jié)構(gòu)的破壞。

受到凍脹因素的影響，基土水分出現(xiàn)遷移狀況，這與基土含水量、基土凍結(jié)強(qiáng)度等密切相關(guān)。土壤毛管力水平、基土顆粒狀況決定基土水分在凍結(jié)過程中的遷移大小?；梁?、基土特性、周邊環(huán)境氣溫等都是導(dǎo)致渠道凍脹破壞的重要原因。

受到不均勻凍脹變形的影響，渠道基土出現(xiàn)斷面，這受到不同基土層含水量、地溫狀況等的影響?；镣令w粒本身并不存在凍脹狀況，凍脹是土壤中液態(tài)水的固態(tài)化狀況，這與溫度因素密切相關(guān)。相比于渠底排水環(huán)境，渠坡的排水性更好，其土壤原含水量較小，渠坡距離地下水位較遠(yuǎn)，在土壤凍結(jié)過程中，地下水遷移補(bǔ)給量較小，遷移水沒有達(dá)到渠坡某層部位時(shí)被凍結(jié)。如果渠道的排水條件較差，其土壤中原含水量較大，也會(huì)導(dǎo)致挖方渠底土壤水分的飽滿，土壤在凍結(jié)過程中也受到地下水遷移補(bǔ)給的影響。渠道基土的凍脹量從渠底到坡頂不斷減小，凍脹量與渠道朝向密切相關(guān)。

由于該市灌區(qū)冬灌停水較晚，渠道基土內(nèi)的含水量基本達(dá)到飽和。在渠道停水前后，其平均氣溫大約在0℃左右，土體內(nèi)的水份并沒有充分的下滲遷移，基土表面已經(jīng)開始凍結(jié)。初凍時(shí)土壤內(nèi)的含水量稱之為起始凍結(jié)含水量，土體的凍脹狀況受到土壤凍結(jié)含水量的直接影響。等到開春氣溫回升，土壤凍層開始熔化，凍層的中部融化比較緩慢，在解凍初期，容易出現(xiàn)滯水狀況，從而導(dǎo)致基土表面的返潮流，有的地面會(huì)出現(xiàn)泛水現(xiàn)象。在這個(gè)過程中，基土的表面非?；?，受到重力作用的影響，因凍脹隆起的襯砌體在渠道坡面上出現(xiàn)下滑狀況，從而導(dǎo)致流土破壞及滑坡問題的出現(xiàn)。

3 渠道襯砌防凍脹策略

為了提升渠道襯砌工程的整體工作效益，必須進(jìn)行防凍脹方案的優(yōu)化，這需要遵循因地制宜的原則，實(shí)現(xiàn)工程管理方案的優(yōu)化。

3.1 回避法

在渠道襯砌規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，為了提升渠道襯砌工作效益，需要避免出現(xiàn)較大凍脹量的土壤水分地區(qū)，這需要進(jìn)行回避法的應(yīng)用，回避法比較適合于新設(shè)計(jì)的渠道。在新建渠道過程中，在環(huán)境條件的允許下，可以進(jìn)行回避法的使用，進(jìn)行多條渠道線路的設(shè)計(jì)，進(jìn)行不同線路的綜合性的比較及分析。

3.2 渠床處理法

當(dāng)渠道襯砌結(jié)構(gòu)允許凍脹變位小于渠道最大凍脹量時(shí)，需要根據(jù)渠道不同部位凍脹狀況及凍層中層次凍脹分布狀況，進(jìn)行合適的渠床處理方法的選擇，將渠床基土的最大凍脹量削減到合適的凍脹變形位值范圍內(nèi)。這需要進(jìn)行渠床處理方法的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)墊層法、基土處理法的協(xié)調(diào)。當(dāng)渠床基土為強(qiáng)凍脹土?xí)r，可以進(jìn)行弱凍脹土的換填，也可以在原渠床基土中混入麥草。渠道旁種樹方法是一種良好的工程輔助方法，可以起到生物排水的作用。在渠拜頂上植樹，樹根可在硅板下部形成根須層，提升了基土的密實(shí)性及抗剪強(qiáng)度，有利于提升渠基的牢固性及穩(wěn)定性。在這個(gè)過程中，要保持樹木與渠道襯砌體的合適距離，一般間隔50厘米左右。通過對隔水法的應(yīng)用，可以隔斷地下水對凍層的補(bǔ)給，可以減少渠床的凍脹變位狀況。

3.3 適應(yīng)法

通過對較強(qiáng)的凍脹性適應(yīng)性的材料及襯砌結(jié)構(gòu)的使用，可以有效提升渠道結(jié)構(gòu)的抗凍脹性，比較常見的斷面類型包括弧形斷面、寬淺式“U"型等，這兩類斷面的凍脹變形比較均勻。渠道砌護(hù)過程中，比較常見的抗凍性較強(qiáng)的材料包括塑膜等。endprint

3.4 運(yùn)行管理及施工管理

在渠道砌護(hù)工作中，冬灌越遲，襯砌凍脹破壞狀況越嚴(yán)重。因此需要進(jìn)行冬灌時(shí)間的提前，避免回歸水補(bǔ)給渠床，做好渠頂防護(hù)工作，將灌耕地集中于支斗渠上，避免坡面水滲入到襯砌面下。為了滿足實(shí)際工作要求，相關(guān)渠道襯砌部門需要提升施工管理及監(jiān)督力度。硅是該市沙坡頭區(qū)的主要襯砌渠道材料，在硅制作過程中，需要優(yōu)化骨料及水泥配合比方案，滿足工程施工的要求，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)期的控制，選擇干硬性的硅材料。

4 不同渠道襯砌方案的抗凍脹性分析

在硅板弧形斷面處理過程中，渠道斷面進(jìn)行了弧形斷面的應(yīng)用，泡沫塑料是硅下的隔熱保溫層。整體來看，渠道地溫較高，凍脹不均勻系數(shù)、凍脹量比較小，凍深比較小，抗凍性能比較好。在硅體“U"形斷面處理過程中，在相同地溫、凍深等條件下，其凍脹變形比較小，凍脹不均勻系數(shù)及剩余凍脹變形值比較小，整體呈現(xiàn)出較好的受力狀況。但其直立面與弧形斷面的交界處產(chǎn)生了縱向裂縫，為了解決實(shí)際問題，需要將直立面變?yōu)樾逼拢尸F(xiàn)寬淺式弧形的斷面狀況，相比于原“U"型斷面砌護(hù)模式，其抗凍性及穩(wěn)定性更好。

在“U”型硅板襯砌工作中，渠床進(jìn)行了草土換填模式的應(yīng)用，在渠坡斜立兩塊平面板，在渠底橫斷面鋪設(shè)三塊平底曲面板。為了提升渠道襯砌工作的防滲性及抗凍性，必須進(jìn)行適當(dāng)方案的選擇，這需要結(jié)合具體工程地質(zhì)環(huán)境狀況，進(jìn)行就地取材、因地制宜原則的應(yīng)用，在該市沙坡頭區(qū)渠道砌護(hù)工作中，可以利用該地麥草豐富、風(fēng)積沙等環(huán)境特點(diǎn)，進(jìn)行渠床的處理，進(jìn)行“U"型寬淺式斷面砌護(hù)模式的優(yōu)化，增強(qiáng)渠道砌護(hù)工程的整體效益。

在渠道設(shè)計(jì)工作中，需要盡可能的避開強(qiáng)凍區(qū)，盡可能避免使用抵抗性措施，比如增加鋼筋及板厚，需要充分遵循經(jīng)濟(jì)合理性原則，進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用，做好渠道基土的處理工作，遵循就地處理的工作原則，進(jìn)行整體性較強(qiáng)的斷面結(jié)構(gòu)模式的應(yīng)用，適應(yīng)工程抗凍脹性的要求，實(shí)現(xiàn)不同施工步驟的協(xié)調(diào)。

5 關(guān)于襯砌幾個(gè)注意的問題

在襯砌過程中，需要注重襯砌渠道的順序，干渠的行水時(shí)間最長，其次是支渠、斗渠、農(nóng)渠。整體來看，渠道的襯砌工程運(yùn)行時(shí)間越長，其取得的效益越大。在一定施工條件下，需要對高一級的渠道進(jìn)行襯砌，然后進(jìn)行低一級渠道的襯砌。

在一定基土凍脹環(huán)境下，襯砌板尺寸與凍脹變形狀況存在密切的聯(lián)系。板與板之間容易出現(xiàn)凍脹裂縫狀況，在預(yù)制硅板襯砌過程中，需要利用瀝清硅做好接縫處的處理工作，進(jìn)行襯砌板厚度的控制，實(shí)踐證明，盲目的增大板厚并不能有效解決凍脹問題，需要根據(jù)實(shí)際渠道狀況，進(jìn)行襯砌板厚度及尺寸的選擇。

6 結(jié)語

實(shí)踐證明，通過對“U"型斷面襯砌技術(shù)的應(yīng)用，有利于提升支斗渠砌護(hù)的抗凍脹性，滿足了現(xiàn)階段渠道砼板砌護(hù)工作的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王江偉，王紅雨.考慮土與板間摩擦力的兩拼式U形復(fù)合襯砌渠道凍脹破壞力學(xué)模型[J].中國農(nóng)村水利水電，2016（05）.

[2]鄭源，湯驊，姜海波.U形復(fù)合襯砌渠道凍脹破壞力學(xué)模型研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2013（11）.

[3]蔣娟.寧夏灌排渠道的問題及更新改造設(shè)計(jì)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.endprint