疏勒河灌區(qū)混凝土預(yù)制板襯砌渠道防凍脹初步研究

(甘肅省疏勒河流域水資源局，甘肅 玉門 735211)

1 流域概況

疏勒河干流全長670km，為甘肅省三大內(nèi)陸河之一，多年平均徑流量10.31億m3,流域面積4.13萬km2，屬典型的內(nèi)陸寒冷干旱性氣候，冬季時間長，氣溫低；年降水量少，蒸發(fā)量大。多年平均氣溫為6.9～8.8℃，最高氣溫38.5℃，最低氣溫-35℃；多年平均年降水量47～63mm，蒸發(fā)量2897～3042mm，最大凍土深度大于1.5m，海拔在1600～1100m之間。

2 工程概況

疏勒河灌區(qū)位于甘肅省河西走廊西段，東經(jīng)96°30′～97°40′，北緯40°11′～40°34′，西鄰新疆哈密地區(qū)，東接甘肅嘉峪關(guān)市，南依祁連山與青海接壤，北靠馬鬃山與內(nèi)蒙古毗鄰，內(nèi)轄昌馬、雙塔、花海三大灌區(qū)。疏勒河灌區(qū)經(jīng)過多年大規(guī)模水利建設(shè)，已初步形成以蓄、引、調(diào)、排為主的骨干工程體系。灌區(qū)有干渠17條445.86km，支干渠11條116.77km，支渠120條548.10km，斗渠619條1105km，農(nóng)渠6247條2950km。疏勒河灌區(qū)承擔著玉門市、瓜州縣22個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、6個國營農(nóng)場134.42萬畝耕地的農(nóng)業(yè)灌溉和甘肅礦區(qū)的工業(yè)供水、轄區(qū)生態(tài)供水及水力發(fā)電供水等任務(wù)，是甘肅省百萬畝以上大型自流灌區(qū)之一。

3 研究背景

疏勒河灌區(qū)是西北地區(qū)較為典型的大型自流灌區(qū)，干、支渠道一般為梯形混凝土預(yù)制板襯砌型式，采取渠道邊坡、底板設(shè)置砂礫石墊層作為防凍脹措施。渠道改建施工時，大部分渠段兩側(cè)均存在林帶、耕地、各類線桿等影響工程實施的問題，施工現(xiàn)場空間狹小，砂礫石墊層進場困難，加之渠道行水周期長、有效施工期短等客觀因素，常因征地、伐樹等相關(guān)準入手續(xù)辦理時限的問題，導(dǎo)致工程延期。為保證灌區(qū)內(nèi)渠道改建工程順利實施，計劃在典型渠道開展聚苯乙烯泡沫保溫板(以下簡稱保溫板)替換砂礫石墊層防凍脹試驗。

4 試驗對象

選定昌馬東干六支渠作為此次試驗對象，該渠道計劃改建長度3.48km，設(shè)計斷面為混凝土預(yù)制板梯形襯砌型式，設(shè)計流量0.24m3/s,縱坡為1.36/1000,渠口寬2.11m，渠深0.69m，邊坡系數(shù)1.25，砂礫石墊層厚度為40～70cm。

因設(shè)計渠線部分渠段兩側(cè)渠堤外側(cè)分布通信線桿和田間林帶，施工時存在以下問題：無法修建臨時施工道路，土方及墊層工程施工難度大；按常規(guī)工序施工共需伐樹238棵，還需占用部分耕地；部分渠段為高墊方渠道，且渠道周邊均為堿性土壤，若渠道進行改線，不利于保證渠道邊坡墊方穩(wěn)定。為此，計劃在施工困難的渠段設(shè)置試驗區(qū)，利用保溫板替換砂礫石墊層進行施工。

5 置換方式

在原設(shè)計渠道斷面、水力要素不變的前提下，用密度20kg/m3保溫板置換砂礫石墊層：將渠底、陰坡厚度為70cm的砂礫石墊層置換為厚度為12cm的保溫板；將渠道陽坡厚度為40cm的砂礫石墊層置換為厚度為8cm的保溫板(見圖1)。

圖1 東干六支渠聚苯乙烯泡沫保溫板防凍脹襯砌斷面(單位:cm)

6 試驗過程

對置換施工完成后的渠道不同深度的地溫、凍脹量和渠道表面變形進行觀測，根據(jù)地溫和凍脹來判定保溫板的防凍脹效果。

設(shè)置1個實驗觀測段，計劃觀測項目、擬采用的相關(guān)設(shè)備儀器以及觀測要求見表1。

表1 計劃觀測項目、設(shè)備及要求

在陽坡、陰坡和渠底布置不同深度的地溫觀測點和變形觀測點(見圖2)。

圖2 渠道試驗段地溫、位移測點布置橫斷面 (單位：cm)

7 工程運行情況監(jiān)測

7.1 溫度觀測

對陰坡、渠底8個指標共192個觀測數(shù)據(jù)進行的分析表明：除埋深在20cm的點位存在個別出現(xiàn)負溫(-1℃)以外，其他各點位數(shù)據(jù)都在0℃以上。在日觀測平均最低氣溫在-9℃時，地溫均在0℃以上，保溫板起到了渠基的保溫作用(見圖3)。

7.2 位移觀測

分別對陰坡、陽坡、渠底垂直位移、渠道水平位移、裂縫等16個指標進行13次觀測，對208個數(shù)據(jù)的分析表明：冬季渠道外側(cè)土壤凍結(jié)后，渠道產(chǎn)生凍脹變形，最大變形量出現(xiàn)在渠堤(即渠道襯砌斷面頂部)，究其原因為渠道頂部暴露在外界環(huán)境，保溫板只能在預(yù)制磚后起到部分保溫作用。與以往經(jīng)驗比較，保溫效率明顯高于該渠道之前的砂礫石墊層，凍脹變形劇烈程度明顯下降(見圖4～圖7)。

圖3 東干六支渠苯板襯砌渠道試驗段測溫數(shù)據(jù)分布

圖4 東干六支渠苯板襯砌渠道試驗段陰坡垂直位移量分布

圖5 東干六支渠苯板襯砌渠道試驗段陽坡垂直位移量分布

圖6 東干六支渠苯板襯砌渠道試驗段渠底垂直位移量分布

圖7 東干六支渠苯板襯砌渠道試驗段渠道水平位移量分布

8 效果分析

綜上所述，采用保溫板在防止渠道凍脹變形破壞方面具有以下優(yōu)點：施工方便，適用于灌區(qū)行水周期長、輪灌停歇期短、施工空間小、外部影響因素大的渠道改建工程，減低對渠道基土的擾動；節(jié)省征地、伐樹、桿位移動等項目的額外費用；保溫板耐久性好，埋在地下不易受污染、變質(zhì)破壞，延長渠道使用壽命。