三工河灌區(qū)渠道凍脹破壞原因及加固改造措施分析

趙 剛

(阜康市城鄉(xiāng)供排水管理站，新疆 阜康 831500)

1 工程概況

三工河流域位于新疆阜康市的西南部，項目區(qū)土地面積為2.17萬hm2。渠道工程線路較長，歷經(jīng)地段地形比較復雜。項目區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，全年平均氣溫為6.7℃，最低溫度為-37℃，最大凍土深度1.5m。渠道自建成后，頻繁地發(fā)生凍脹破壞，已經(jīng)嚴重影響了灌區(qū)正常的水利灌溉。

2 渠道凍脹破壞的原因分析

灌區(qū)渠道發(fā)生凍脹破壞的形式具有一定的相似性。凍脹破壞首先發(fā)生在渠道邊坡下方距離渠底約四分之一位置處，該處混凝土襯砌板先發(fā)生鼓脹，進而引起混凝土預制板的整體滑移、坍塌。在廣泛調(diào)查基礎上，認為造成渠道凍脹破壞的原因主要有以下2個方面。

(1)地形條件。渠道段建設時采用深挖渠基方法，挖方深度在4.5～7.8m，同時渠道兩側(cè)離農(nóng)田距離較近，農(nóng)田灌溉中的水分通過深層滲流方式匯集在渠坡外圍土基之中，因此渠道有十分豐富的旁水滲入。根據(jù)相關資料顯示，在每年冬灌結束后，渠道邊坡外圍土基礎土含水率超過20%，而此時氣候均在零攝氏度以下，有利于基礎土發(fā)生凍結。渠道基土有豐富的外界水源補給，并且本身滲流相當滯緩，這是導致渠道發(fā)生凍脹破壞的主要原因之一。

(2)地質(zhì)條件。渠道基礎土壤屬于凍脹土，基土成分主要是黏土和中、重壤土。土壤特點為透水性比較差，遇水會發(fā)生軟化，長時間浸泡后會產(chǎn)生較大的塑形變形。在凍結期，渠基土發(fā)生凍脹，但在春季解凍初期深層基土并沒有解凍，透水性幾乎為零，使得深部凍土層與解凍層之間形成抗剪薄弱面。浸水飽和之后的黏土在外界應力作用下進行溯流，并沿著抗剪薄弱面向坡腳滑移，破壞渠道襯砌結構。除此之外，地下水埋深淺、基土透水性差、水分在渠道基土分布不均等因素也是造成渠道發(fā)生凍脹破壞的原因。

3 渠道加固改造措施

該地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)域，并且晝夜溫差較大，渠道襯砌混凝土會受到反復凍脹力的作用，渠道凍脹破壞情況比較嚴重。在以往對破壞渠道的修復過程中，往往只重視凍土清理，對坡道修整后再次襯砌混凝土預制塊，同時注重對勾縫質(zhì)量的控制。但修復后的渠道在運行3a左右后，又會發(fā)生類似的凍脹破壞。在總結以往經(jīng)驗基礎上，考慮到渠道基土不透水、水位已升高等實際情況，對灌區(qū)渠道的改造原則為削減基土凍土和改善襯砌結構，目的在于控制渠道基土凍脹量，盡可能提高渠道結構的凍脹變形適應能力?；诖?，渠道改造措施采用砌石改善襯砌結構，并將原渠道敏感性凍土換成非敏感凍脹土。對于不同地下水出露情況，塊石套砌方案分別采取以下措施。

3.1 地下水未出露渠段改造措施

對于渠段中地下水埋深未在渠底出露，并且水位埋深較淺，渠段基礎有良好的排水條件，不會造成地下水的滯留。針對這種類型渠段的改造處理措施在于對關鍵部位進行補強，尤其是凍脹變形情況嚴重的位置，采用加強襯砌結構的方式強化自身抵抗凍脹變形的能力。對于灌區(qū)不同邊坡系數(shù)的渠道均采用如下塊石套砌方案，如圖1所示。渠底基礎用漿砌石進行套砌，厚度控制在50cm左右，距離渠底150cm位置以下邊坡同樣采用漿砌石進行套砌，邊坡套砌石厚度控制在30cm。同時在渠底與邊坡交接處下方各留暗溝，暗溝寬度為50cm，高度在40cm左右，其目的在于提高整個襯砌結構的穩(wěn)定性。采用此改造加固方案的優(yōu)點在于能夠有效提高凍脹區(qū)基土的剛度，從而有效控制渠道凍脹變形量。

圖1 襯砌渠道改造加固方案(單位：cm)

3.2 地下水出露段改造措施

渠段中地下水埋深在渠底有出露，并且水位埋深較淺，渠段基礎排水條件不佳，渠道兩側(cè)滲流水補給條件好。針對這種類型渠段的改造處理措施在于拆除部分渠道并采用塊石套砌護砌的方案，拆除內(nèi)容包括渠道底部、坡腳1.5m的強凍脹區(qū)渠道，方案如圖2所示。渠底采用漿砌石進行填筑，但在渠底內(nèi)砌干砌石進行套砌，渠底干塊砌石單元為正方形，邊長為100cm，每個干塊砌石單元間隔距離為20cm。坡腳上方1.5m同樣進行塊砌石套砌，渠底上方50cm記性漿砌石施工，渠底上方高度在50～150cm的坡段位置進行干塊石襯砌。

圖2 套砌方案(單位：cm)

采用這種改良加固措施的優(yōu)勢主要有2個方面：①能夠及時將水分排出，包括地下水或外界滲入渠道基礎的水分，可以大幅度降低渠道基礎土壤的含水率，從而大大消除渠道遭受凍脹破壞的基本條件；②改善渠道底部襯砌結構，同時增加襯砌結構厚度(約22cm)，增加渠道結構的整體性和穩(wěn)定性。施工選擇干砌石材料應注意塊石粒徑，需要選擇粒徑超過30cm的塊石。砌石迎水面表面應盡可能平整，并在漿砌石表面進行勾平縫作業(yè)，降低渠道底部的粗糙度。

4 應用效果分析

為進一步掌握改造加固方案的效果，運用數(shù)值模擬軟件COMSOL對改造加固效果進行模擬，對比分析渠道改造加固前后位移場和應力場變化情況。

4.1 襯砌板法向位移變化

襯砌板法向位移模擬中，設置計算步長為7d，計算周期為1a。模擬得到渠道換填前后渠道襯砌板法向位移情況，如圖3所示。分析得到，從11月開始到次年的2月，基礎土水在低溫環(huán)境下開始凍結，土體凍脹量和襯砌板法向位移量逐漸增加，次年3—4月，數(shù)值開始逐漸減少，這與實際情況非常吻合。渠道換填前后，渠坡最大法向位移量分別為7.8、3.6cm，減少幅度達到54%；渠底襯砌板最大法向位移量分別為18.2、4.0cm，減少幅度達到78%。同時換填之后的位移分布更加均勻。

4.2 應力場變化

分析換填前后渠道發(fā)生最大法向位移量時(2月)的法向凍脹力和切向凍結力變化情況，如圖4所示。由圖3可知，最大應力發(fā)生在坡腳位置，換填之前最大法向凍脹力和切向凍結力分別為4.98、8.09MPa；采用塊石套砌之后的應力情況得到明顯改觀，坡腳最大法向凍脹力和切向凍結力分別為1.34、1.40MPa，削減幅度分別可達到73%、83%。

圖3 渠道換填前后襯砌板法向位移

圖4 渠道換填前后襯砌板法向位移

綜上分析可知，采用干砌石套砌方案后的渠道凍脹位移量得到有效控制，襯砌板結構應力分布更加均勻，最大應力得到大幅度削減，方案抗凍脹效果明顯。

5 結語

在地下水水位埋深較淺、土體遇水軟化等不良渠段中，可以采用漿砌石做骨架內(nèi)砌矸石的方法，封堵地下水，增加渠道基礎剛度，提高渠道襯砌結構整體性和穩(wěn)定性。采用這種改造加固措施雖一次性改造費用較高，但較傳統(tǒng)修補方法能大大延長渠道使用壽命，值得類似渠道工程推廣借鑒。