嚴(yán)寒地區(qū)渠道凍脹破壞修護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用

韓夢君

（新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

我國西北地區(qū)干旱而少雨，引水灌溉渠道往往被視作極為重要的基礎(chǔ)民生工程。渠道運(yùn)行質(zhì)量對于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、民生及社會安定有著舉足輕重的作用。但受限于工程投資、工程地質(zhì)水文及現(xiàn)場條件，基礎(chǔ)渠道工程往往低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]，加之我國西北地區(qū)屬季節(jié)性凍土區(qū)，灌區(qū)渠道基土受凍脹影響非常明顯[2]，渠道襯砌往往出現(xiàn)不同程度的凍漲破壞，輕者出現(xiàn)裂縫、鼓脹，重者坍塌滑坡，引水灌渠帶病運(yùn)行，渠道的水利用效率低下[3]，無法充分的發(fā)揮出渠道實(shí)際效能，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，嚴(yán)重影響并制約著嚴(yán)寒地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展。如何一勞永逸的做好嚴(yán)寒地區(qū)渠道凍脹防治設(shè)計(jì)及維修養(yǎng)護(hù)工作，保證渠道運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性[2]，已是我國北方嚴(yán)寒地區(qū)渠道運(yùn)行管理所面臨的一個(gè)重要課題[3]。

我國早在上世紀(jì)開始進(jìn)行渠道凍脹規(guī)律及其防治措施的研究。馬棟和[3]依據(jù)哈達(dá)山水利樞紐工程對嚴(yán)寒地區(qū)高地下水渠道的邊坡凍脹特性進(jìn)行研究，得出地下水位變化對凍脹的影響程度及陰、陽坡凍深比。劉開清[4]采取清除凍脹的渠基及破壞的砌石體，回填非凍脹性的中砂或粗砂對該流域漿砌石河渠凍融破壞部位對討賴河渠道凍融破壞進(jìn)行維護(hù)和加固。管郁[5]提出，若無法避開凍脹區(qū)，可采取置換法、隔熱保溫法、化學(xué)處理法、壓實(shí)法、防滲排水法等措施消除凍脹影響；也可以通過優(yōu)化渠道斷面形式來提高渠道的抗凍漲能力。渠道凍脹破壞的成因較為復(fù)雜，考慮凍脹破壞主因及相關(guān)費(fèi)用，現(xiàn)有渠道凍脹維護(hù)和整治措施以現(xiàn)場材料砂礫石墊層為主，本文通過對采用砂礫石墊層解決原混凝土襯砌凍脹破壞問題。

1 工程概況

結(jié)然力克2 號引水閘位于塔里木河流域干流上游新其滿管理站，主要用于農(nóng)業(yè)和生態(tài)供水，其設(shè)計(jì)流量為60.7 m3/s，引水閘下游海漫段全長35 m，為全斷面梯形漿砌石襯砌，渠道底寬為13 m、口寬為25 m、內(nèi)邊坡系數(shù)為1∶2.0、渠深3.0 m。

塔里木河流域大地封凍期為每年11 月份下旬～來年3月份上旬，塔里木河流域新其滿多年平均氣溫10.8℃，極端最低氣溫-29.1℃。大地封凍期結(jié)束后，引水閘下游海漫段出現(xiàn)砂漿脫落、漿砌石破損開裂、翹曲及嚴(yán)重變形，并在海漫段末端、邊坡、底部等多處形成孔洞，影響結(jié)然力克2 號引水閘正常運(yùn)行，存在一定的安全隱患，見圖1、圖2。

圖1 工程區(qū)引水閘下游海漫段左岸凍脹破壞情況

圖2 工程區(qū)引水閘下游海漫段右岸凍脹破壞情況

2 維修方案

2.1 原因分析

1）水文：塔里木河流域潛水位埋深1.30 m～5.95 m，工程區(qū)鄰近氣象臺(站）的地下水位深度為3 m，年變幅0.5 m～1.0 m，地下水位受河水位的影響，枯水期地下水位在凍結(jié)深度以下。

2）冰情：工程區(qū)平均凍土深度為50 cm，最大凍土深度為82 cm。依據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：對凍深大于30 cm的地區(qū)，應(yīng)判定是否凍脹，并采取防凍脹措施。

3）地質(zhì)：查看工程地質(zhì)報(bào)告，工程區(qū)地層從上至下分為兩層，①低液限粉土層②粉土質(zhì)砂層。工程區(qū)土質(zhì)均具有凍脹性，需考慮凍脹問題。且渠基接觸粉土層凍脹性較大。

4）工程效用：工程區(qū)為引水閘下游海漫段，起消能防沖作用。

5）考慮到工程區(qū)渠底襯砌材料為漿砌石，工程區(qū)損壞原因：水力沖刷前提下的凍脹作用導(dǎo)致渠道破壞。

2.2 方案設(shè)計(jì)

1）結(jié)合工程所在地設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用抗?jié)B性及抗沖刷性更好的現(xiàn)澆混凝土板代替原漿砌石作為渠道襯砌，板厚12 cm，現(xiàn)澆砼強(qiáng)度等級C20、抗凍等級為F200、抗凍等級為W6；為使混凝土渠道襯砌結(jié)構(gòu)適應(yīng)并削減凍脹變形，避免渠道混凝土襯砌板凍脹隆起和架空，渠道設(shè)計(jì)在底板與邊坡之間設(shè)置縱縫、順?biāo)鞣较蛎扛? m 設(shè)置一道橫縫，縫寬2 cm，采用2 cm 厚高壓閉孔板填縫、2 cm×2 cm 聚氨酯灌縫。

2）因渠道基底粉土層凍脹性大，應(yīng)驗(yàn)算渠道各部位的凍脹位移量，梯形斷面的混凝土渠道襯砌，其結(jié)構(gòu)允許法向位移值為5 mm～10 mm，如若渠道陰面、陽面及底面的凍脹量大于允許法向位移值，應(yīng)采取相應(yīng)的抗凍脹措施。

3）設(shè)計(jì)凍深計(jì)算

式中：Zd為設(shè)計(jì)凍深，m；φf為凍深年際變化的頻率比系數(shù)；φd為日照及遮蔭程度影響系數(shù)；φw為地下水影響系數(shù)；Zk為標(biāo)準(zhǔn)凍深，指氣象站多年實(shí)測最大凍土深的平均值,本工程為0.54 m；φi為典型斷面某部位的日照及遮蔭程度修正系數(shù)；a、b 為相關(guān)系數(shù)；Zwo為鄰近氣象臺(站）的地下水位深度，工程取值為3 m；α為系數(shù)，工程取值為0.79；Zwi為計(jì)算點(diǎn)的地下水位深度，工程取值為3 m。

計(jì)算凍深見表1。

表1 工程區(qū)引水閘下游海漫段設(shè)計(jì)凍深計(jì)算表

4）基礎(chǔ)下基土的凍脹量計(jì)算：

式中：Δh 為基土凍脹量，mm；p 為荷載修正系數(shù)，工程取值為0.165；β 為與季節(jié)凍結(jié)層內(nèi)地基土的干密度ρd有關(guān)的系數(shù)，工程取值為0.018；p 為計(jì)算點(diǎn)地基的荷載強(qiáng)度，100 kPa；Δh 為地基土地表凍脹量，工程取值為210 mm；Zd為設(shè)計(jì)凍深；Zb為基礎(chǔ)下土的凍深，Zb=Zd-ds，ds為混凝土板厚度。

渠基土凍脹量計(jì)算見表2。

表2 工程區(qū)引水閘下游海漫段渠基土凍脹量

基礎(chǔ)下的基土的凍脹量為28.15 mm～31.46 mm，超出了混凝土梯形斷面的抗凍脹能力，因此需要采取渠道防凍脹的措施。

設(shè)計(jì)提出以下方案削減凍脹：1）采用聚苯乙烯板保溫；2）采用砂礫石墊層換填渠基。

2.3 方案比選

設(shè)計(jì)從工程量、材料需求、施工難易程度及工程經(jīng)濟(jì)等方面對方案進(jìn)行優(yōu)選，見表3。

表3 設(shè)計(jì)方案比選

上述2 種方案均能滿足抗凍設(shè)計(jì)要求，2 種方案工程投資均較小，砂礫石墊層在以往的工程中防凍效果較好，施工質(zhì)量容易控制，且總體工程量不大，工程設(shè)計(jì)最終選用砂礫石墊層換填方案作為渠道凍脹削減措施。

砂礫石墊層換填厚度計(jì)算：

式中：Zn為砂礫石墊層換填厚度；ε 為置換比；δ0為襯砌板厚度，m；本工程為0.12 m；Zd為置換部位的設(shè)計(jì)凍深，m。

換填厚度計(jì)算見表4。

表4 防凍砂礫石墊層換填厚度計(jì)算表

3 結(jié)語

我國西北嚴(yán)寒地區(qū)的灌區(qū)渠道，當(dāng)?shù)叵滤坏陀诨A(chǔ)設(shè)計(jì)凍深時(shí)，采用砂礫石墊層換填原渠底凍脹性基土，施工難度低，工程投資小，是季節(jié)性凍土地區(qū)凍脹破壞較為常見的防止措施；通過對塔里木河流域引水閘下游原漿砌石海漫段滲漏及凍脹破壞進(jìn)行分析，提出采用抗?jié)B性好、耐久性長的混凝土襯砌代替原漿砌石襯砌，并采用砂礫石墊層換填原襯砌下高凍脹粉土層，有效完成工程區(qū)渠道凍脹破壞維護(hù)工程。