敦化灌區(qū)渠道防滲工程凍脹破壞分析與防治

（太原市敦化揚水工程管理處）

1 灌區(qū)概況

太原市敦化灌區(qū)始建于1964年，地處山西省中部的清徐縣和小店區(qū)交界處，擁有主要干、支渠道51.76 km（渠系平面布置見圖1），可灌溉農(nóng)田6 973.33 hm2。多年來，干、支渠道均為土體結構，輸水滲漏損失嚴重，渠系水利用系數(shù)低，約為0.45。為了減少滲漏損失，有效利用水資源，1996年對部分渠道進行了防滲工程處理，使水資源利用率得到了大大提高，糧食生產(chǎn)穩(wěn)步增長。

圖1 太原市敦化灌區(qū)渠系平面布置圖

但在渠道的多年運行中，防滲工程遭受了不同程度的凍脹損壞，部分渠段只經(jīng)過了幾次的冬季灌溉就產(chǎn)生了裂縫、空鼓等現(xiàn)象，難以發(fā)揮預期效益。

2 防滲工程凍脹破壞形成分析

太原市敦化灌區(qū)位于山西中部汾河與瀟河交叉口南端，屬沖積平原型灌區(qū)。由于地處中緯度大陸性季風氣候區(qū)，一年四季分明。主要氣候特點：春季多風干燥，夏季雨量集中，秋季天氣晴朗，冬季少雪寒冷。據(jù)當?shù)囟嗄暧^測資料，年均氣溫10.2℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫-24.3℃；最大凍土深度0.667 m。敦化灌區(qū)一般要對冬小麥進行冬灌，灌溉期為每年12月初到次年4月上旬，渠道過水時間較長，而且正是每年最寒冷的季節(jié)，灌區(qū)防滲渠道容易經(jīng)常受到不同程度的凍脹破壞，其主要表現(xiàn)形式如下：

2.1 防滲工程裂縫

據(jù)調(diào)查，敦化灌區(qū)的渠道為梯形，從電一支渠南云支到西谷段和電二支渠大寨村段，出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，裂縫方向為橫向，平行于水流方向，破壞部位為陰坡坡腳線以上1/3坡長處或水位線上下。裂縫產(chǎn)生后，由于維修不及時，上部渠坡在凍脹力作用下向渠中心方向發(fā)生位移。渠底破壞部位是沿渠中心線出現(xiàn)的鼓突裂縫。據(jù)分析，形成裂縫的主要原因，是由于渠系改造過程中用的是現(xiàn)澆混凝土，該材料屬剛性材料，雖然整體性較好，但在基土凍脹力大于混凝土整體約束力時，就會產(chǎn)生裂縫。

2.2 防滲工程空鼓

敦化灌區(qū)1996年改造時，混凝土預制板襯砌渠道較多。據(jù)調(diào)查，電一支渠南北云支段、電二支渠王答村段，出現(xiàn)凸起、空鼓現(xiàn)象，凍脹位移大部分為3-6 cm，部分位置達到15 cm。在冬春季交替氣溫回暖時，凍脹位移回落，一脹一縮，使灌區(qū)渠道梯形斷面砌筑的預制板襯砌縫遭到破壞。如不及時維修，破壞逐年累加，預制板襯砌很快就會錯位塌落。

2.3 防滲工程錯位滑落

灌區(qū)渠道梯形斷面錯位滑落是在裂縫、空鼓、錯位等破壞部位未及時修復的情況下，凍脹作用累積疊加，致使砌體受到更大破壞，從而失去了輸水利用價值。據(jù)調(diào)查，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的情況很少，幾率很低。

3 防滲工程凍脹破壞防治措施

3.1 優(yōu)化設計方案

根據(jù)水文地質(zhì)資料，新建灌溉渠道選擇應盡量避開黏土、粉質(zhì)土、淤積土及地下水位較淺、透水性較好和等高線密集地形較高的脊梁地段。由于地理條件限制無法滿足這些條件時，應該盡量建成填方渠道，以便使渠底抬高。

3.2 確保施工質(zhì)量

嚴格按照設計要求施工，使填方質(zhì)量達到設計標準，同時做好排水、隔水措施和合理運用隔熱保溫層等。

3.2.1 鋪設墊層

墊層不僅具有一定的抗凍脹能力，而且可以阻止地下水的水位上升，從而減少水分的轉移聚流。鋪設墊層時，不能摻入凍脹性土料，常用的墊層材料有砂礫石、中粗砂等。在施工時，需要在最大凍土深度以內(nèi)，將墊砌板下的凍脹土換成非凍脹材料?；翐Q填基本上可以解決凍脹問題，但缺點是工程量大，工程投資亦較大。

3.2.2 設置排水和隔水

關于排水：如果凍土層或置換層下透水或弱透水層較薄，且深層地下水埋深比工程設計最大凍土深度大時，應在渠底設置必要的排水措施，使凍土層或置換層能夠與地下水相通；如果渠床的凍土層有排水出路，則應在工程設計最大凍土深度底部設置縱橫向排水暗管，以便及時把渠床凍土層內(nèi)的水排出渠外；如果渠道在冬季輸水，渠底存在旁滲水補給時，宜在最低運行水位以上設置反濾排水體，將排水口設置在最低運行水位處，這樣就可及時將滲水排到渠內(nèi)，避免渠床受到浸濕。關于隔水：宜在混凝土襯砌板下鋪設一層聚乙烯膜或土工膜，這樣就可有效減少襯砌板接縫處的滲漏問題，尤其是在采用小塊混凝土板襯砌時，采用防滲隔水層能夠起到良好的抗凍脹作用。

3.2.3 設置隔熱保溫層

在渠道防滲工程施工時，可將隔熱保溫材料鋪墊在襯砌體的下部，這樣就可起到消減凍深與凍脹作用。

總的來說，防滲渠道在設計、施工及后期運營管理的各個環(huán)節(jié)中，都應該認真對待凍脹破壞問題，并要結合工程的實際情況及凍脹特點，做好每個環(huán)節(jié)的凍脹防治措施。

3.3 增加混凝土鋼筋抗拉強度

敦化灌區(qū)地下水位較高，采用鋪設土工布、聚苯板等防凍脹措施，效果不太明顯。預制混凝土板襯砌由于自重小，在凍脹時易出現(xiàn)空鼓滑落，相比現(xiàn)澆混凝土防滲工程更易遭到破壞，維護費用較高。經(jīng)過多次試驗，增加現(xiàn)澆混凝土鋼筋的抗拉強度，抗凍脹效果較好。根據(jù)試驗資料，宜選擇在現(xiàn)澆混凝土內(nèi)鋪設φ4鋼筋焊接網(wǎng)，既可滿足防止凍脹的抗拉要求，又沒有增加太大成本。依試驗結果，敦化灌區(qū)在2009年抗凍脹試驗段鋪設了φ4鋼筋焊接網(wǎng)，經(jīng)多年運行，混凝土表面無裂縫和空鼓現(xiàn)象發(fā)生。

3.4 抓好運行管理

渠道建成交付使用后，要進行定期檢查與維修，及時清除渠內(nèi)雜物。在渠道外側種植一些須根系發(fā)達可以改善渠床土基狀態(tài)的植物，也有利于防治渠道發(fā)生凍害。在灌溉期間，要保證渠道排水暢通，在氣溫降到零度以下時能不間斷運行，同時還要保證運行期的水位；在停止灌溉期間，要對渠道進行及時檢查與維護，保證砌塊縫間填料的完整性和襯砌體封頂?shù)耐旰眯?，以避免水滲入到襯砌體背后。在凍脹破壞發(fā)生后，一定要及時修復，避免造成渠道報廢。

4 結論

敦化灌區(qū)渠道防滲工程，由于凍脹破壞，既增加了灌區(qū)的工程維修成本，也造成了輸水的大量損失，不利于開展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉。根據(jù)凍脹破壞的原因，采取相應的預防和管理措施，對于推動灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展，保證糧食安全，意義重大。