吉林省西部供水工程渠道護(hù)砌方案設(shè)計(jì)

孫方超

(吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021)

吉林西部供水工程利用松花江、洮兒河、霍林河、哈達(dá)山水利樞紐工程洪水期的豐富水量和嫩江吉林省分水量對吉林省西部地區(qū)的湖、泡等實(shí)施供水，解決西部地區(qū)水資源短缺問題，達(dá)到改善西部地區(qū)湖、泡周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境的目的；工程分莫莫格、向海、查干湖和波羅湖四大生態(tài)板塊，板塊之間的湖、泡等主要通過渠系設(shè)計(jì)達(dá)到連接貫通目的。工程設(shè)計(jì)渠道長度總計(jì)1646.0km，通過地質(zhì)勘查和板塊區(qū)域內(nèi)需水測算，渠道需護(hù)砌長度計(jì)427.0km，因渠道護(hù)砌范圍廣，各區(qū)域內(nèi)的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)特性和社會經(jīng)濟(jì)狀況存在差異，渠道護(hù)砌的類型和結(jié)構(gòu)型式應(yīng)因地制宜采用科學(xué)合理的護(hù)砌技術(shù)。

1 護(hù)砌渠道需解決的主要難題

吉林省西部屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域內(nèi)河流較少，分布不均，多為無尾河，氣候干旱，夏季蒸發(fā)量大，存在大面積鹽堿化土地和星羅棋布的鹽堿泡沼。另外，工程區(qū)域位于高緯度寒冷地帶，季節(jié)性凍脹土分布廣泛。通過渠道護(hù)砌范圍內(nèi)沿線地質(zhì)勘查和室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)研究分析，護(hù)砌方案設(shè)計(jì)主要面臨兩大難題：①護(hù)砌渠道沿線普遍存在季節(jié)性凍脹性土，特別是渠道深挖地段，地下水位高，凍脹性土具有充足水源補(bǔ)充，護(hù)砌易發(fā)生凍脹破壞；②位于吉林省西部蘇打鹽堿地的護(hù)砌渠道，鹽漬土具有較強(qiáng)的離散性和弱凍脹性，浸水后土質(zhì)強(qiáng)度偏軟，在低流速水流作用下能夠發(fā)生沖蝕破壞。

2 破壞機(jī)理分析

2.1 凍脹破壞機(jī)理分析

渠道護(hù)砌的凍脹破壞大部分原因?yàn)榍踢吰?護(hù)砌基礎(chǔ))發(fā)生凍脹而產(chǎn)生的凍脹力頂裂或頂起襯砌導(dǎo)致護(hù)砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹破壞。渠基土凍脹是土體中水分凍結(jié)后體積膨脹造成的，凍脹效果與土體含水量密切相關(guān)。對于非飽和土，土中的孔隙水凍結(jié)后產(chǎn)生的膨脹量主要填充土體結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙，對土體產(chǎn)生的凍脹量較小，一般不會造成凍脹破壞；但土體凍結(jié)過程中具有持續(xù)外界水源補(bǔ)給時，因凍結(jié)水分遷移形成分凝層會促使土體的凍脹量急劇增大，護(hù)砌凍脹破壞幾率增高。對于飽和性土，土中的水凍結(jié)成冰時，膨脹量主要作用在土體結(jié)構(gòu)上，一般凍漲量和凍脹力較大，護(hù)砌凍脹破壞幾率高。

研究表明土質(zhì)、水分和溫度是土體發(fā)生凍脹必須具備的3個條件，因此渠基土凍脹的發(fā)生必須具備以下條件：①具有凍脹敏感性的土質(zhì)；②土壤含水量超過起始凍脹含水量(對于非飽和土)；③達(dá)到土體凍結(jié)的負(fù)溫并且有一定的持續(xù)時間。因此，制定防凍脹破壞措施時，只要能控制其中一個條件就可以減弱或消除渠基土的凍脹，達(dá)到防治凍脹破壞的目的。

渠基土凍脹產(chǎn)生的凍脹力是護(hù)砌破壞的根本原因，護(hù)砌破壞的防治措施主要從消除渠基土凍脹破壞屬性和增加護(hù)砌強(qiáng)度至足以抵消渠基土產(chǎn)生的凍脹力。護(hù)砌凍脹破壞如圖1所示。

圖1 護(hù)砌凍脹破壞

2.2 鹽漬土破壞機(jī)理分析

試驗(yàn)表明吉林省西部地區(qū)鹽漬土中存在較多交換性陽離子，形成大量交換性鈉，可與地下水發(fā)生交換作用。土中較多的鈉離子、鉀離子、碳酸根和碳酸氫根存在于潛水，潛水的礦化度增強(qiáng)。隨著高礦化度潛水的運(yùn)移和周圍土體離子頻繁交換，不斷加重碳酸鹽鹽漬土的鹽漬化。土中水分蒸發(fā)后，土體結(jié)構(gòu)中存在大量的鈉、鉀離子，并在離子電荷力作用下硬度增強(qiáng)(如圖2所示)，但浸水后電荷力在水離子的作用下消散，土體硬度削弱，抗沖強(qiáng)度降低(如圖3所示)。

圖2 飽和后鹽漬土

圖3 水分蒸發(fā)后鹽漬土

因此為消除或降低鹽漬土對護(hù)砌的破壞，可綜合考慮以下兩種措施：①降低地下水位，局部降水可使地下水位達(dá)到臨界水位以下，使鹽分不能達(dá)護(hù)砌的基礎(chǔ)表面；②設(shè)隔斷層隔斷渠道內(nèi)部水與鹽漬土內(nèi)地下水的水力聯(lián)系。

3 凍脹土渠基護(hù)砌方案設(shè)計(jì)

根據(jù)凍脹破壞機(jī)理分析可采取以下措施進(jìn)行防護(hù)：①置換措施:置換措施是在凍結(jié)深度范圍內(nèi)將護(hù)砌底的凍脹土換成非凍脹土，一般通過鋪設(shè)砂礫石墊層形式。②保溫措施:在襯砌下鋪設(shè)隔熱保溫層，阻隔大氣與渠基土的熱交換，提高砌體下基土溫度，削減或消除凍脹，防止發(fā)生凍脹破壞。③壓實(shí)措施:提高渠床土密度以降低凍脹量。④隔水與排水措施:防止渠水和渠堤上的地表水滲入渠基，隔斷水分對凍結(jié)層的補(bǔ)給，以及地下水位高時排除渠基凍脹層的水分。因此，消除或降低護(hù)砌基礎(chǔ)的凍脹性是解決護(hù)砌凍脹破壞的主要措施，護(hù)砌基礎(chǔ)凍脹性消除后，護(hù)砌的類型選擇和結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)僅需滿足護(hù)砌的基本功用即可。

以乾安縣花道泡連接渠為例：連接渠為深挖方渠道，渠道內(nèi)地下水位高，渠坡土為季節(jié)性凍脹土和鹽漬土，護(hù)砌型式為模袋混凝土護(hù)砌。為防止模袋混凝土護(hù)砌發(fā)生凍脹破壞，在渠道底高程以上2m范圍內(nèi)采用砂礫石置換鹽漬土，同時該范圍內(nèi)模袋護(hù)坡設(shè)排水孔，以排除凍土水源補(bǔ)給。砂礫石置換一方面及時排走土中的水分，消弱基礎(chǔ)凍脹土的凍脹性，降低護(hù)砌發(fā)生凍脹破壞的幾率，另一方面通過砂礫石作為模袋護(hù)坡與鹽漬土的隔斷層，避免鹽漬土因毛細(xì)水的上升而發(fā)生次生鹽堿化；基礎(chǔ)與護(hù)砌之間設(shè)計(jì)無紡布反濾，模袋護(hù)坡開孔后采用砂礫石回填并壓實(shí)；為增強(qiáng)模袋混凝土整體性以抵抗冰推力，模袋內(nèi)增設(shè)鋼筋；模袋護(hù)坡厚度和護(hù)砌長度可通過穩(wěn)定計(jì)算確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖4所示。

4 鹽漬土地區(qū)渠道護(hù)砌方案設(shè)計(jì)

吉林省西部地區(qū)鹽漬土主要分布在鎮(zhèn)賚區(qū)片、大安區(qū)片、洮南區(qū)片、通榆區(qū)片、前郭區(qū)片和乾安區(qū)片，根據(jù)鹽漬土區(qū)片的土壤化學(xué)分析結(jié)果，各鹽漬土區(qū)片的鹽漬土類別分別為：鎮(zhèn)賚、大安片區(qū)為硫酸鹽漬土，洮南、通榆和前郭區(qū)片為亞硫酸鹽漬土，乾安區(qū)片為氯鹽漬土。鹽漬土區(qū)片的護(hù)砌渠道包括填方渠道、挖方渠道和半填方半挖方渠道的護(hù)砌。

圖4 凍脹性渠基護(hù)砌設(shè)計(jì)斷面圖

圖5 鹽漬土填方渠道護(hù)砌設(shè)計(jì)斷面圖

填方渠道區(qū)內(nèi)運(yùn)行水位一般高于渠道沿線周邊區(qū)域內(nèi)地下水位，渠道護(hù)砌除滿足水流抗沖刷要求外，應(yīng)避免渠內(nèi)水源補(bǔ)給周邊地下水，以防因地下水位抬高造成附近區(qū)域土壤發(fā)生次生鹽堿化危害；另外運(yùn)行水位高于地面，存在浸沒問題。因此，該類型渠道渠底和渠坡運(yùn)行水位以下部分需采取防滲措施，主要采取以下兩種防滲措施：

措施一：渠底、渠底高程至運(yùn)行水位加波浪爬高高程范圍內(nèi)渠道填筑用料采用抗?jié)B系數(shù)低的黏性土、壤土等土料，填筑厚度可根據(jù)渠道運(yùn)行水位與地下水位的高差和設(shè)計(jì)水位運(yùn)行時間計(jì)算確定，防滲效果以滲漏量不能形成地下水補(bǔ)給為控制性指標(biāo)；運(yùn)行水位以上可根據(jù)運(yùn)行水位加波浪爬高高程至渠道頂高程范圍可根據(jù)需要進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)，加強(qiáng)渠道生態(tài)綠化。護(hù)砌邊坡設(shè)計(jì)坡比應(yīng)通過渠道水力計(jì)算、邊坡和護(hù)砌穩(wěn)定計(jì)算確定。填方渠道護(hù)砌附近區(qū)域地下水位低，經(jīng)過防滲措施處理后地基土不存在鹽漬土凍脹問題，因此護(hù)砌型式可根據(jù)抗沖能力進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇，使用PP纖維混凝土板、整體結(jié)構(gòu)性能較強(qiáng)的實(shí)心混凝土生態(tài)連鎖板塊兩種型式，PP纖維混凝土板的厚度及生態(tài)板塊厚度可根據(jù)不同渠段的水流沖刷和淘刷破壞程度確定。板塊底部宜設(shè)一定厚度的砂礫石找平層和無紡布反濾層。

措施二：渠底、渠底高程至運(yùn)行水位加波浪爬高高程范圍內(nèi)渠道采用復(fù)核土工膜防滲，渠堤填筑料不具備防滲功用，可以就地取材，減小運(yùn)距，降低土方單價，進(jìn)而減少工程投資；為防止土工膜存在缺陷性滲漏導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)可設(shè)逆止閥。運(yùn)行水位以上可根據(jù)運(yùn)行水位加波浪爬高高程至渠道頂高程范圍可根據(jù)需要進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)，加強(qiáng)渠道生態(tài)綠化，植被類型結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥李愋?，合理選擇。填方渠道護(hù)砌附近區(qū)域地下水位低，經(jīng)過防滲措施處理后地基土不存在鹽漬土凍脹問題，因此護(hù)砌型式可根據(jù)抗沖能力進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇，采用PP纖維混凝土板和實(shí)心混凝土生態(tài)連鎖板塊兩種型式，PP纖維混凝土板的厚度及生態(tài)板塊厚度可根據(jù)不同渠段的水流沖刷和淘刷破壞程度確定。板塊與復(fù)合土工膜之間宜設(shè)一定厚度的砂礫石找平層，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖5所示。

5 結(jié)語

渠道護(hù)砌關(guān)鍵在護(hù)砌基礎(chǔ)的性質(zhì)和護(hù)砌結(jié)構(gòu)特性，對于季節(jié)性凍脹土和鹽漬土區(qū)域內(nèi)的護(hù)砌，其關(guān)鍵技術(shù)在于護(hù)砌基礎(chǔ)的處理。目前成熟的護(hù)砌種類和結(jié)構(gòu)型式較多，基本上都能滿足糙率系數(shù)和抗沖刷水力要求，有些新型護(hù)砌型式可兼顧河道生態(tài)和自然環(huán)境維護(hù)，因此護(hù)砌基礎(chǔ)處理措施應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣候等影響因素綜合考慮，選擇合理的基礎(chǔ)處理措施，進(jìn)而保證護(hù)砌型式服務(wù)周期。