鹽環(huán)定揚(yáng)水干渠凍脹原型試驗(yàn)觀測與防治措施

王福升，陸立國

(1.寧夏水利工程建設(shè)中心，寧夏 銀川 750001； 2.寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021)

陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程是解決革命老區(qū)陜西定邊、甘肅環(huán)縣和寧夏鹽池、同心縣人畜飲水困難、發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉、改善生態(tài)環(huán)境、改變地區(qū)貧困落后面貌而興建的一項(xiàng)從黃河取水的揚(yáng)水工程。三道井干渠屬寧夏專用工程，承擔(dān)鹽池灌區(qū)47%的輸水任務(wù)[1]。

三道井干渠設(shè)計流量2.48 m3/s，灌溉面積2萬hm2(95%為高效節(jié)水滴灌)。渠道為弧形底梯形斷面，設(shè)計水深1.23 m、流速0.78 m/s、底寬0.78 m、開口寬5.64 m、內(nèi)邊坡1∶1.5、比降1/3 000，襯砌結(jié)構(gòu)為6 cm厚C15混凝土預(yù)制板+3 cm厚M5水泥砂漿+0.18 mm厚聚乙烯薄膜。左岸4 m寬渠堤兼作渠道巡回道路，右岸渠堤寬2 m。干渠投入運(yùn)行多年后，襯砌渠道出現(xiàn)板縫開裂、混凝土酥松、土體膨脹、隆起架空、板面滑塌等現(xiàn)象，已失去防滲固坡作用，使得輸水能力減少20%。為了查清破壞原因，對渠道周邊的基土和地下水取樣化驗(yàn)，結(jié)果顯示，土體母質(zhì)中含有大量的硫酸鹽和氯化物，地下水中鹽分含量也較高，渠道滲漏和地下水補(bǔ)給使得有害物質(zhì)溶解于水后直接入侵混凝土板，造成混凝土強(qiáng)度降低[2]。進(jìn)一步分析，除有害離子對混凝土產(chǎn)生腐蝕破壞外，凍脹是引起混凝土預(yù)制板隆起架空的主要原因。三道井襯砌渠道破壞現(xiàn)狀見圖1。為了掌握凍脹破壞程度，提出更新改造措施，選取2 km渠道作為試驗(yàn)段，開展凍脹試驗(yàn)觀測。

圖1 襯砌渠道破壞現(xiàn)狀

水利工程中的凍土與凍害防治研究始于20世紀(jì)50年代末，發(fā)展于80年代。為解決渠道防滲抗凍問題，國家成立了“渠道防滲抗凍協(xié)會”和“全國渠道防滲科技情報網(wǎng)”，并在各地投入資金開展渠道防滲抗凍研究。經(jīng)過幾年的研究與實(shí)踐，基本搞清了凍脹破壞機(jī)理，并于1991年制定了《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》和《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》，在后續(xù)應(yīng)用中逐步進(jìn)行了修訂完善。同時采用了“允許一定凍脹位移量”的工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提出了“以適應(yīng)、削減或消除基土凍脹為主，以經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)為輔”的防凍害原則和技術(shù)措施[3-4]。多年來，北方各省針對水利工程凍害問題一直不間斷地開展研究工作。

寧夏渠道防凍脹研究主要始于20世紀(jì)90年代，在借鑒國內(nèi)外防凍脹襯砌模式和考慮本地實(shí)際基礎(chǔ)上，開展了防滲防凍脹襯砌試驗(yàn)。防滲層先后采用0.1 mm厚土工膜、0.3 mm厚土工膜、0.3 mm厚土工膜+150 g土工布；防凍脹措施為換填砂礫料、布設(shè)排水管、鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板。但由于沒有完全消除基土凍脹，許多襯砌工程仍存在凍脹裂縫和凍脹位移現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著工程安全和防滲效果。因此，開展系統(tǒng)的、多種型式的防凍脹試驗(yàn)，找出防凍脹效果好、經(jīng)濟(jì)適用的襯砌結(jié)構(gòu)就變得十分迫切。

1 試驗(yàn)觀測內(nèi)容和設(shè)備布設(shè)

1.1 氣溫、地溫和凍深觀測

采用CAWS100自動氣象站，記錄每天各時刻的氣溫，日最高、最低和平均氣溫。

埋設(shè)地溫探頭，采用XMT-J系列梯溫儀測試0、7.5 cm、15 cm、30 cm、60 cm、90 cm、120 cm、150 cm深度土壤溫度，每3天觀測一次，觀測時間為上午9時開始[5]。

采用LQX-DT凍土器，垂直于混凝土板面鉆孔將凍土器外管埋入于基土中，管口與混凝土板齊平，將內(nèi)管的橡膠管內(nèi)注滿當(dāng)?shù)氐叵滤?，擰緊螺絲[6]。內(nèi)管上部纏繞膠布使得桿件與外管緊密結(jié)合，以防止外部空氣進(jìn)入產(chǎn)生影響。凍深每3天觀測一次，觀測時間為上午9時開始。

1.2 凍脹量觀測

采用固定錨桿牽拉鋼絲的方式[7]，每3天觀測一次凍脹量。沿渠道坡面垂直埋設(shè)測試錨桿，埋設(shè)混凝土板下深度105 cm，板上外露20 cm。錨桿的制作方法為：選取長120 cm、外直徑30 mm的六角鋼，將一端預(yù)制到150 cm×150 cm×250 cm(長×寬×高)的混凝土中，六角鋼另一端距離2 cm處打一直徑3 mm的圓孔，用于穿牽拉鋼絲，如圖2所示。

圖2 凍脹量觀測錨桿示意圖(單位：mm)

冬季觀測時，在渠坡上部錨桿2 cm圓孔處，穿細(xì)鋼絲固定，另一端通過牽拉彈簧與渠坡下部錨桿相連，彈簧的作用是為防止?fàn)坷匿摻z受冷崩斷。最后分別在鋼絲和混凝土板觀測點(diǎn)位置做上標(biāo)記(鋼絲與混凝土板上的觀測點(diǎn)的連線與板面垂直)，每次用精度1 mm的鋼板尺量測兩點(diǎn)之間的垂直距離，即為各觀測點(diǎn)混凝土的凍脹量，如圖3所示。

圖3 凍脹量觀測示意圖

1.3 基土含水率觀測

采用TREM(德國進(jìn)口)設(shè)備，對混凝土板下0、20 cm、40 cm、60 cm深度土層的基土含水率進(jìn)行測試，垂直于混凝土板坡面鉆孔安裝長80 cm的TRIME管，每月觀測1次。

1.4 觀測斷面和測點(diǎn)布置

在2 km觀測試驗(yàn)段中，布設(shè)了6個觀測斷面，每一斷面布設(shè)5個測點(diǎn)，測點(diǎn)1、2位于渠道北坡的上、下部位，測點(diǎn)3位于渠底中部，測點(diǎn)4、5位于渠道南坡的下、上部位。

試驗(yàn)觀測段地溫、凍深、凍脹量、土壤水分測點(diǎn)位置布置見圖4。

圖4 地溫、凍深、凍脹量、土壤水分測點(diǎn)位置布置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1 試驗(yàn)段各觀測斷面測點(diǎn)不同深度地溫觀測結(jié)果 ℃

試驗(yàn)段凍脹觀測在渠道冬灌停水后開始，具體時間為2014年11月至2015年4月，當(dāng)各測點(diǎn)凍深為零時觀測結(jié)束，歷時一個凍融周期。

2.1 氣溫

自2014年11月19日出現(xiàn)負(fù)溫，到2015年3月30日負(fù)溫消失，總計135 d。其中，最低氣溫在2014年12月至2015年1月，2015年1月9日是整個凍融期氣溫最低，為-16.3℃；3月21日氣溫最高，為24.6℃；日平均最低氣溫-11.7℃。在135 d的觀測期，負(fù)溫81 d，占60%，由于冬季氣溫低，歷時時間長，給渠道基土凍脹造成了有利的先決條件。日最低、最高、平均氣溫變化曲線見圖5。

圖5 日最低、最高和平均氣溫變化過程

2.2 地溫

觀測混凝土預(yù)制板下深度分別為0、7.5 cm、15 cm、30 cm、60 cm、90 cm、120 cm和150 cm土壤的溫度，試驗(yàn)段各觀測斷面最低平均地溫和最低地溫值見表1。由表1可知：①混凝土板下近100 cm范圍內(nèi)最低地溫均在0℃以下，土體內(nèi)的水分結(jié)冰造成基土體積膨脹，勢必對渠道表面的混凝土板產(chǎn)生凍脹破壞；②地溫的表現(xiàn)特征為隨著土體深度的增加而逐漸上升，土體大約在深度90 cm位置最低平均地溫接近0℃，說明該地區(qū)的凍土深度不超過90 cm，采用內(nèi)插法計算得凍土深度約為84 cm；③觀測到日平均最低氣溫為-11.7℃，基土15 cm處的最低平均地溫最大為-7.8℃，土體表層的溫度與氣溫相差較大，說明土體具有一定的保溫性；④從日觀測的結(jié)果看，地溫受氣溫直接影響，地溫變化比氣溫相對滯后2～3 d。

2.3 凍深

鹽環(huán)定灌區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)，根據(jù)多年氣象資料，一般從11月初開始地溫出現(xiàn)負(fù)溫，此時凍土開始出現(xiàn)，直至來年3月下旬，土層逐漸消融[8]。

三道井干渠冬灌停水時間為每年11月15日，設(shè)備安裝完畢就出現(xiàn)凍土，最大凍深值出現(xiàn)在2015年1月，隨著氣溫的回升，由表層和底層分別開始向中間融化，至3月下旬，基土全部融化，凍深為零。試驗(yàn)段各觀測斷面最大凍深見表2，各測點(diǎn)凍深變化過程見圖6。

表2 渠道各襯砌斷面最大凍深 cm

圖6 不同斷面測點(diǎn)2、3、4凍深變化過程線

從表2和圖6可知：①測點(diǎn)1～5平均最大凍深分別為56 cm、52 cm、53 cm、71 cm和88 cm。渠道走向?yàn)闁|偏北15°，北坡為陽坡，南坡為陰坡，北坡的凍深小于南坡；測點(diǎn)5位于渠道陰坡上部，凍深值大的原因是受渠道頂和坡面兩個方向的凍結(jié)，同時受渠頂樹蔭影響。②由于各測點(diǎn)的凍深普遍較大，60～100 cm深度范圍的土體因凍脹引起的體積增大較多，渠道襯砌的混凝土板無法抵御巨大的土體凍脹而隆起，日積月累，使得襯砌渠道滑塌破壞。

2.4 凍脹量

凍脹量是渠道襯砌體沿法向方向的垂直距離，與渠道凍脹破壞程度成正比，凍脹量越大，渠道破壞越嚴(yán)重。2014—2015年試驗(yàn)段各斷面最大凍脹量觀測值見表3，各測點(diǎn)凍脹量變化過程曲線比較見圖7。

表3 渠道各觀測斷面最大凍脹量 cm

圖7 不同斷面5個測點(diǎn)凍脹量變化過程線

表4 凍結(jié)前后土壤含水率統(tǒng)計 %

a. 各觀測斷面中，渠底測點(diǎn)3的平均最大凍脹量為6.2 cm，大于其他各測點(diǎn)，若渠道無積水，渠底凍脹最大。測點(diǎn)2和測點(diǎn)4位于渠道坡腳，其平均最大凍脹量分別為4.7 cm和5.4 cm，凍脹量也較大，由此也說明了渠道坡腳也是凍脹變形較大的部位[9]。

b. 各觀測斷面中，各測點(diǎn)凍脹量普遍較大，斷面6渠底最大凍脹量達(dá)8.1 cm，斷面6陰坡的最大凍脹量達(dá)7.0 cm，現(xiàn)場觀測該渠段的凍脹較為嚴(yán)重，如此大的凍脹量對混凝土襯砌渠道的破壞顯而易見。

c. 各部位的凍脹量與凍深規(guī)律基本一致，陰坡的凍脹量大于陽坡，坡腳的大于坡頂。

2.5 基土含水率

渠道基土含水率大小對襯砌工程的破壞起決定性作用。若含水率超過該土的起始凍脹含水率時，在負(fù)溫作用下即會產(chǎn)生凍脹。三道井干渠基土為砂壤土，由于渠道滲漏使得基土含水量接近飽和，渠道冬灌停水時日平均氣溫已降低到0℃以下，基土內(nèi)的水分還不能充分下滲遷移時，基土表層已開始產(chǎn)生凍結(jié)。隨著地溫降低，凍深增大，凍脹加劇。試驗(yàn)觀測結(jié)果見表4。

a. 試驗(yàn)渠段各測點(diǎn)平均起始含水率超過25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了砂壤土起始凍脹含水率12%～14%[10]，如此高的含水率是造成凍脹加劇的主要原因。

b. 在各觀測斷面中，20～40 cm土層凍結(jié)初期的平均含水率為25.13%，凍結(jié)期的平均含水率為26.17%，土壤含水率增加了4.14%；40～60 cm土層凍結(jié)初期的平均含水率為25.24%，凍結(jié)期的平均含水率為26.67%，土壤含水率增加了5.67%。說明了土壤在凍結(jié)過程中水分向冰層面遷移，使得含水率增大，導(dǎo)致凍脹加劇。

c. 隨著地溫升高，基土開始融化，20～40 cm土層凍結(jié)期的平均含水率為26.17%，凍結(jié)后期的平均含水率為23.92%，土壤含水率減少了8.60%；40～60 cm土層凍結(jié)期的平均含水率為26.67%，凍結(jié)后期的平均含水率為25.52%，土壤含水率減少了4.31%。說明凍結(jié)期到凍結(jié)后期的土壤含水率隨著地溫的升高呈減小趨勢，同時上層土壤水分滲透比下層快。

由此說明，基土含水率大小對襯砌渠道的破壞起關(guān)鍵性作用，減輕渠道凍脹破壞在于降低基土含水率[11-12]。

3 推薦的襯砌形式

鹽環(huán)定三道井揚(yáng)水干渠地處氣候寒冷，渠道滲漏和田間灌溉使得冬灌結(jié)束后基土含水率高，凍脹是引起渠道破壞的重要原因。因此，在渠道更新改造時必須考慮防凍脹措施，本次采用聚苯乙烯板保溫措施[13]。渠道坡腳是凍脹較為嚴(yán)重的部位，采用20 cm厚現(xiàn)澆混凝土弧形坡腳的形式[14]，并設(shè)置保溫板。全斷面鋪設(shè)復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲[15]，減少因滲漏而引起的基土含水率升高。

具體做法是：坡腳采用20 cm厚C20現(xiàn)澆混凝土+5 cm厚聚苯乙烯保溫板，邊坡采用7 cm厚C15混凝土預(yù)制板+3 cm厚M5水泥砂漿+0.3 cm厚復(fù)合土工膜+8 cm厚聚苯乙烯保溫板，渠底采用7 cm厚C15混凝土預(yù)制板+3 cm厚M5水泥砂漿+0.3 cm厚復(fù)合土工膜[16]。推薦的襯砌結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 渠道襯砌結(jié)構(gòu)

2016年在三道井35.26 km干渠更新改造中采用了推薦的襯砌結(jié)構(gòu)，經(jīng)過3年多的運(yùn)行，混凝土預(yù)制板坡面、現(xiàn)澆混凝土圓弧坡腳未出現(xiàn)凍脹破壞跡象，防凍脹效果顯著，渠道行水安全得以保障，值得在寧夏季節(jié)性凍土地區(qū)推廣應(yīng)用。2016—2019年在寧夏灌區(qū)的鹽環(huán)定揚(yáng)水工程、惠農(nóng)渠、漢延渠、東干渠、西干渠等渠道襯砌中推廣應(yīng)用該種襯砌結(jié)構(gòu)376 km。

4 結(jié) 論

a. 布設(shè)了6個凍脹觀測斷面，對影響渠道凍脹的氣溫、地溫、凍深、凍脹量、基土含水率主要指標(biāo)進(jìn)行觀測，提出凍脹是造成襯砌渠道破壞的重要原因，因此在渠道更新改造時必須考慮采用聚苯乙烯板保溫防凍脹措施。

b. 通過觀測成果總結(jié)得出了基土含水率高是渠道凍脹破壞的決定性因素，渠道坡腳是凍脹變形最為嚴(yán)重的部位。在此基礎(chǔ)上提出了減輕凍脹的渠道襯砌加固結(jié)構(gòu)形式：坡腳采用20 cm厚現(xiàn)澆混凝土弧形坡腳+5 cm厚聚苯乙烯板。減輕渠道破壞關(guān)鍵在于降低基土含水率，因此全斷面采用0.3 mm厚復(fù)合土工膜防滲，減少因滲漏而引起的基土含水率升高。

c. 在現(xiàn)場觀測和分析總結(jié)基礎(chǔ)上推薦的防凍脹襯砌結(jié)構(gòu)對減輕凍脹破壞、延長工程壽命、保證安全運(yùn)行具有綜合整治效果。三道井35.26 km干渠更新改造中采用了推薦的襯砌結(jié)構(gòu)，經(jīng)過3年多的運(yùn)行，混凝土預(yù)制板坡面、現(xiàn)澆混凝土圓弧坡腳未出現(xiàn)凍脹破壞跡象，防凍脹效果顯著，渠道行水安全。

考慮到寧夏屬季節(jié)性凍土地區(qū)，各灌區(qū)的氣溫、凍深、土壤土質(zhì)、地下水位、渠道走向和挖填方狀況等都存在差異，建議在今后的工程設(shè)計時要充分結(jié)合工程所在區(qū)域?qū)嶋H，因地制宜地進(jìn)一步優(yōu)化襯砌斷面和防凍脹結(jié)構(gòu)。