喀什噶爾河灌區(qū)干渠改造防凍脹技術(shù)分析

努爾依力·麥麥提

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700）

大型灌區(qū)建設(shè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、機(jī)械化、集約化的重要途徑，尤其是針對(duì)新疆、甘肅、青海等水資源嚴(yán)重缺乏的西北內(nèi)陸地區(qū)，發(fā)展大型灌區(qū)對(duì)于減少農(nóng)業(yè)灌溉用水作用明顯。渠道是灌區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)，而新疆自治區(qū)冬季寒冷，夏季炎熱，白天黑夜溫差較大，凍脹土普遍存在。因此在渠道設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮防凍脹措施，否則渠道壽命和防滲性會(huì)大大降低。

1 工程概況

喀什噶爾河位于塔里木盆地西部，是一條內(nèi)流河，全長(zhǎng)1200 km，平均寬度40 m?？κ哺翣柡庸鄥^(qū)建設(shè)于上世紀(jì)70年代，控制面積約6.4萬(wàn)畝，屬于中型灌區(qū)。灌區(qū)渠道網(wǎng)絡(luò)大致組成為1條干渠、5條支渠。經(jīng)過(guò)近50年運(yùn)行，目前干渠受凍脹破壞嚴(yán)重，防滲性較差，造成大量水資源浪費(fèi)（見圖1），必須進(jìn)行防凍脹設(shè)計(jì)。本次改建干渠總長(zhǎng)約11.3 km，設(shè)計(jì)流量1.7 m3/s～3.9 m3/s。

圖1 喀什噶爾河灌區(qū)干渠凍脹破壞實(shí)景

2 渠道凍脹破壞影響因素分析

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)調(diào)查：新疆地區(qū)很多灌區(qū)干渠存在凍脹破壞現(xiàn)象。輕則導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)裂縫、滲水；重則出現(xiàn)襯砌變形、斷裂、垮塌等，嚴(yán)重影響渠道輸水，且維護(hù)費(fèi)用居高不下[1]。

（1）渠基土質(zhì)影響

渠基土質(zhì)對(duì)凍脹量有著直接影響，主要涉及到的參數(shù)有粒度組成、礦物成分、土體密度等。①一般情況下，粒度越小，單位體積土體表面積越大，會(huì)吸附更多水分，導(dǎo)致凍脹量越大；②礦物成分不同會(huì)造成土體導(dǎo)熱系數(shù)有差別，導(dǎo)熱系數(shù)越大，受外界環(huán)境影響越大，進(jìn)而凍脹破壞就越嚴(yán)重；③凍脹破壞程度隨著土體密度的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

（2）水分影響

水分是渠基土發(fā)生凍脹破壞的基礎(chǔ)，凍脹量和水分也呈正向相關(guān)性。當(dāng)渠基土含水量低于某一數(shù)值時(shí)，凍脹破壞程度就會(huì)很低，不會(huì)對(duì)渠道造成影響，而其決定因素就是地下水埋深H。新疆地區(qū)地下水埋深H與各類型地基土凍脹率η關(guān)系如下[2]：

壤土：η＝60.5e-0.11146H

（3）溫度影響

溫度是渠基土發(fā)生凍脹的另一個(gè)必備因素，經(jīng)研究表明：氣溫下降速度對(duì)凍脹程度有著很大影響。①當(dāng)氣溫急劇下降至較低值時(shí)，土體中的水分來(lái)不及作遷移運(yùn)動(dòng)便凍結(jié)，此時(shí)土體凍脹變形量較小；②當(dāng)氣溫緩慢下降時(shí)，土體中水分凍結(jié)速率較小，存在大量周邊水分遷移至凍結(jié)區(qū)域現(xiàn)象，造成凍脹量急劇增大。兩者凍脹量相差10%～20%（見圖 2）[3]。

圖2 氣溫下降速度和渠基土凍脹量關(guān)系曲線

（4）渠道自身影響

渠道自身影響因素包括：走向和斷面結(jié)構(gòu)形式。渠道走向?qū)邮芄庹兆顬槊黠@，研究表明：南北走向渠道，由于各斷面渠基土溫度、水分等相似，其凍脹破壞程度也基本一致；東西走向渠道，陰坡面凍脹量明顯大于陽(yáng)坡面[4]。

目前渠道主要的斷面結(jié)構(gòu)形式包括：矩形斷面、梯形斷面、U型斷面。結(jié)構(gòu)的不同直接影響著內(nèi)部應(yīng)力的分布形式。其中弧形底板的反拱作用顯著，能對(duì)抗較大外力，屬于最優(yōu)斷面形式。

3 干渠最佳斷面參數(shù)的確定

（1）受凍脹力學(xué)模型建立分析

根據(jù)凍脹破壞影響因素，喀什噶爾河灌區(qū)干渠設(shè)計(jì)采用“U型渠道”。利用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)建立渠道混凝土襯砌凍脹破壞力學(xué)模型（見圖 3）[5]。

由圖3可知：弧形渠底襯砌結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng)，其法向凍脹力和切向凍脹力所產(chǎn)生的彎矩方向相反，能夠相互抵消一部分，會(huì)大大減小控制彎矩值。且坡板和底板之間內(nèi)力相互影響，提高了整體的抗凍脹能力。

圖3 U型渠道混凝土襯砌凍脹力分布模型（左：法向；右：切向）

（2）最佳斷面確定

通過(guò)計(jì)算分析U型渠道斷面結(jié)構(gòu)圖（見圖4），以及水力條件和襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹受力，得出在相同襯砌厚度下，當(dāng)α＝69°、n＝0.4時(shí)，渠道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布最均勻（L：坡面長(zhǎng)度；R：弧底半徑；2α：弧底對(duì)應(yīng)的圓心角）[6]。

圖4 U型渠道斷面參數(shù)結(jié)構(gòu)圖

4 渠道防凍脹設(shè)計(jì)

喀什噶爾河灌區(qū)屬于典型的大陸性氣候，干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈，且冬灌停水時(shí)間較晚，地下水水位較高，造成凍脹破壞普遍嚴(yán)重。為徹底解決灌區(qū)干渠的凍脹破壞問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用置換墊層法。

（1）最大設(shè)計(jì)凍深

渠基土最大凍深Zd是防凍脹設(shè)計(jì)的最基本參數(shù)，相關(guān)計(jì)算公式如下，經(jīng)計(jì)算得到喀什噶爾河灌區(qū)渠基土最大設(shè)計(jì)凍深Zd＝2.0 m。

式中，ψd為日照和遮陰程度凍深修正系數(shù)；ψw為地下水影響系數(shù)；Zm為近10年地基土最大凍深，取值1.38 m；α為氣候區(qū)系數(shù)，陰面：-1.36，陽(yáng)面：2.72；渠底：0.32；ψi為日照和遮陰程度修正系數(shù)，取值1.12。

（2）置換材料及深度

①置換材料

本項(xiàng)目可選擇置換材料包括：砂礫石墊層和聚苯乙烯泡沫塑料板，兩種置換材料優(yōu)缺點(diǎn)見表1?？紤]到灌區(qū)干渠對(duì)使用壽命和耐久性要求較高，因此本項(xiàng)目確定采用砂礫石墊層作為置換材料。

表1 置換材料方案比選

②置換深度

渠基土置換深度Ze計(jì)算公式如下，根據(jù)本項(xiàng)目允許最大法向位移量為0.5 cm～1.0 cm，確定本項(xiàng)目置換深度如下：1）東西走向渠道陽(yáng)坡置換深度30 cm～60 cm，陰坡40 cm～60 cm；2）南北走向陰坡、陽(yáng)坡置換深度均為30 cm～60 cm。

式中，ε為置換比，取值0.15～0.3；δ0為襯砌板厚度，取值6.0cm。

（3）渠道襯砌方案比選設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知4級(jí)及以上渠道襯砌結(jié)構(gòu)厚度為：現(xiàn)澆筑（無(wú)鋼筋）6 cm～12 cm；預(yù)制鋪砌5 cm～10 cm。結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目渠道襯砌方案可選：現(xiàn)澆筑襯砌10 cm和預(yù)制砼板襯砌6 m。兩方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。

表2 渠道襯砌方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

方案一：現(xiàn)澆筑C20襯砌

該方案渠道具體結(jié)構(gòu)：兩側(cè)邊坡設(shè)置砂礫石墊層30 cm，渠底設(shè)置砂礫石墊層60 cm；邊坡和渠底現(xiàn)澆筑襯砌層均設(shè)計(jì)為 10 cm（見圖 5）。

圖5 現(xiàn)澆筑C20襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖

方案二：預(yù)制C20砼板襯砌

該方案渠道具體結(jié)構(gòu)：兩側(cè)邊坡設(shè)置砂礫石墊層30 cm，渠底設(shè)置砂礫石墊層60 cm；邊坡和渠底預(yù)制C20砼板襯砌均設(shè)計(jì)為10 cm（見圖6）。

圖6 預(yù)制C20砼板襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖

綜合考慮本項(xiàng)目地段地形復(fù)雜，干渠改造時(shí)用水困難，且為不影響農(nóng)業(yè)灌溉，對(duì)施工工期要求較高，因此最終確定采用預(yù)制C20砼板襯砌方案。

5 結(jié)語(yǔ)

渠道防凍脹破壞設(shè)計(jì)是西北內(nèi)陸地區(qū)灌區(qū)建設(shè)必須要考慮的問(wèn)題之一，喀什噶爾河灌區(qū)干渠改造總體按照“砂礫石墊層＋混凝土襯砌”形式，經(jīng)過(guò)一年使用，干渠沒有出現(xiàn)任何凍脹裂縫、坍塌等破壞，防滲性、輸水量等參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，干渠改造效果顯著。