干砌塊石襯砌形式在凍脹土及高地下水位渠道中的應(yīng)用

王進(jìn)軍

（甘肅省疏勒河流域水資源局昌馬灌區(qū)管理處，甘肅 玉門735211）

1 概述

疏勒河流域昌馬灌區(qū)屬國家大 （二）型自流灌區(qū)，位于甘肅省河西走廊西端疏勒河干流中游。1958年建成，主要承擔(dān)著玉門、瓜州兩市縣12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、4個國營農(nóng)場69.68萬畝農(nóng)業(yè)灌溉任務(wù)。昌馬灌區(qū)現(xiàn)有骨干輸水渠道92條629km，其中，干渠7條187km，支干渠10條115km，支渠、分支渠75條327km。

這些渠道的運(yùn)行，成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生命線。但是，由于工程渠線長，渠道所經(jīng)地段地質(zhì)、地形條件復(fù)雜，灌區(qū)又屬嚴(yán)寒氣候區(qū)，多年平均氣溫5.8～8.8℃，最低氣溫-29.3℃，最大凍土厚度為150cm。渠道運(yùn)行中因凍脹破壞的問題時有發(fā)生，尤其是穿越高地下水位渠段，渠基土的凍脹敏感性更強(qiáng)，基土凍脹融沉變形對渠底及護(hù)坡結(jié)構(gòu)的影響也更為強(qiáng)烈，凍脹破壞更為嚴(yán)重。這些凍脹嚴(yán)重渠段，以往采用40～70cm厚砂礫石墊層，上鋪設(shè)砼預(yù)制板，清理污染墊層，對凍脹變形的砼預(yù)制板重新襯砌，維修后渠道運(yùn)行1-2年，仍發(fā)生凍脹破壞。每年用于這些渠段維修凍脹破壞的費(fèi)用占維修總費(fèi)用的65%左右。因此穿越高地下水位渠道凍脹破壞是必須研究解決的問題。

2 地質(zhì)情況及凍脹現(xiàn)狀

昌馬灌區(qū)穿越高地下水位凍脹渠段主要集中在東干渠及北一支干。東干渠灌溉面積9.99萬畝，設(shè)計流量1.91-5.60m3/s,全長52km; 高地下水位集中在（樁號：13+362—20+083km）渠段內(nèi)，北一支干渠灌溉面積4.04萬畝，設(shè)計流量1.78m3/s,全長13.16km，高地下水位集中在 （樁號：0+150—11+475km）渠段。經(jīng)對這些渠道的地質(zhì)條件、地下水埋深等情況的調(diào)查，這些區(qū)段均屬挖方渠段，渠基和渠坡主要置于apLQ粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)黏土土層，地表1.0m以上鹽堿含量較高，為1.8-7.8g/kg,屬亞硝酸鹽鹽漬土，干密度1.23-1.56g/cm3，細(xì)粒土 （＜0.0075mm）含量大于10，厚度大于3m。地下水埋深較淺，僅為0.0～2.0m,渠底有滲水，積水現(xiàn)象，天然含水率15%～29%，毛細(xì)上升高度在1.7～2.6m之間，水質(zhì)較差，對砼硫酸鹽侵蝕性，渠道土基滲水補(bǔ)給量大，詳細(xì)情況見表1。

表1 昌馬灌區(qū)東干渠、北一支干渠凍脹破壞渠段調(diào)查表

發(fā)生凍脹破壞的渠段都具有相似的凍脹破壞形式。均為坡腳處預(yù)制板膨脹下滑，造成渠底鼓脹隆起，最終導(dǎo)致邊坡砼預(yù)制板整體下滑、塌落。如圖1所示。

圖1 東干渠、北一支干渠渠道凍脹破壞狀況

3 凍脹破壞的原因分析

土質(zhì)、水分、負(fù)溫是造成渠道凍脹破壞的主要因素。

1）渠基土質(zhì)。渠道凍脹嚴(yán)重程度與土的凍脹敏感性有關(guān)，土中粒徑小于0.0075mm的土粒超過總重量的10%為凍脹土，昌馬灌區(qū)東干渠及北一支干渠渠段多為粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土，均為凍脹土，加之地下水位高，水分補(bǔ)給充分，必然產(chǎn)生較大凍脹量，從而使砼預(yù)制板鼓脹下滑、塌落造成破壞。另外，地表1.0m以上鹽堿含量較高，為亞硫酸鹽鹽漬土，含量達(dá)到1.8-7.8g/kg,，對砼有強(qiáng)腐蝕性，是造成了砼預(yù)制板襯砌體破壞的另外一個原因。

2）地下水及負(fù)溫的影響。東干渠及北一支干渠凍脹破壞渠段均為挖方渠道，渠道平均挖深為2.6～5.1m,而渠堤兩側(cè)為耕地，耕地灌溉的深層滲漏使渠坡外圍土基有大量的傍水滲入。當(dāng)冬季停水后，因地下水位較高，加之渠道旁側(cè)滲水共同補(bǔ)給，使基土含水率達(dá)到40%以上，此時平均氣溫為-7.0℃以下。渠底和渠堤基土凍結(jié)，體積膨脹作用下引起的應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時，就會造成渠道襯砌體的破壞。而砼預(yù)制板一般厚度為6～8cm,這樣的結(jié)構(gòu)，重量輕、穩(wěn)定性差、抗凍性差，極易產(chǎn)生凍脹破壞。

4 襯砌斷面形式的選擇

針對以上產(chǎn)生凍脹的因素，在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對于渠段旁側(cè)滲水補(bǔ)給量大，地下水埋深淺，在渠底出漏，地基排水性能弱，且水質(zhì)對砼預(yù)制板有硫酸鹽腐蝕的渠段，通過采用置換凍脹土，增加襯砌體重量的襯砌方式，即采用30cm厚砂礫墊層，10cm厚細(xì)砂保護(hù)層、土工布（150g/m2）反慮層、30cm厚干砌塊石的襯砌方式（如圖2所示）：一是干砌石襯砌結(jié)構(gòu)在凍融過程中，可以接受一定的法向位移，適應(yīng)基土的凍脹融沉，有效避免凍脹破壞；二是能夠使渠道停水時和來年解凍后基土的水分及出露地下水及時從干砌石排出，降低基土含水率，從而有效減小基土凍脹；三是增加了襯砌厚度，改善了渠道底部的襯砌結(jié)構(gòu)，提高了渠道的抗凍脹能力。另外，干砌塊石比砼結(jié)構(gòu)更有效抵抗基土和水質(zhì)中硫酸鹽的侵蝕。

圖2 干襯砌石襯砌斷面

經(jīng)對昌馬灌區(qū)東干渠，北一支干渠采用干砌塊石襯砌斷面形式后運(yùn)行情況檢查，渠道運(yùn)行5年以來，未出現(xiàn)嚴(yán)重凍脹破壞，效果良好。實(shí)踐證明，采用干砌塊襯砌形式，能夠有效解決高地下水位渠道凍脹問題，保證渠道安全輸水，有效降低維修費(fèi)用，提高工程效益。對具有相似地質(zhì)條件的灌區(qū)渠道，是值得推廣的一種維修改造措施。如圖3所示。

圖3 東干渠、北一支干渠干砌石襯砌渠道

5 干砌石襯砌形式施工要求

干砌石的施工雖工序簡單，但質(zhì)量控制難度大，只有重視施工質(zhì)量，才能達(dá)到滿意的工程質(zhì)量和抗凍脹效果。施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求：

1）保證排水通暢，施工中要做好反慮層，防止淤塞和流土。

2）砂礫料墊層級配及夯填相對密度要嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范要求選料和施工，保證回填質(zhì)量。

3）建立施工質(zhì)量控制與質(zhì)量體系，嚴(yán)格干砌石施工工藝流程和設(shè)計要求施工。加大質(zhì)量抽查力度，做到全過程質(zhì)量檢查，對不合格的干砌石立即拆除返工，不留隱患。