毛細(xì)透排水帶在渠道防凍脹中的應(yīng)用

王緒存

（寧夏固海揚(yáng)水管理處，寧夏 中寧 755100）

寧夏固海擴(kuò)灌揚(yáng)水渠道是典型的農(nóng)業(yè)灌溉渠道，受季節(jié)性凍土的影響較為嚴(yán)重，尤其是兩側(cè)為農(nóng)田的挖方段渠道，受季節(jié)性地下水影響渠道基土凍脹突出，渠道混凝土襯砌板在基土凍融的影響下發(fā)生凍脹破壞。為了減小渠道的凍脹破壞，采取在渠道的邊坡上鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板[1]和渠道邊坡?lián)Q填沙礫石防凍層的方法，對(duì)基土的排水主要有渠底埋設(shè)排水暗管和渠坡沙礫石反濾層內(nèi)埋設(shè)排水暗管等措施。而渠道鋪設(shè)保溫板后地下水無法排出，導(dǎo)致渠道混凝土板的凍脹再次發(fā)生。對(duì)于換填沙礫石，由于渠道邊坡較陡，沙礫石換填級(jí)配難控制，大料滑向底部，邊坡的凍脹難以清除；埋設(shè)的排水暗管容易發(fā)生堵塞等現(xiàn)象，均達(dá)不到預(yù)期防凍脹效果。

近年來，毛細(xì)透排水帶廣泛應(yīng)用于壩體下游坡面排水[2]，公路、鐵路、隧道等邊坡襯砌排水[3]，垃圾填埋場滲漏液導(dǎo)流排水[4]和鹽堿地的改良[5]等方面，并取得一定的成效。毛細(xì)透排水帶具有內(nèi)大外小的結(jié)構(gòu)形式，利用毛細(xì)吸水原理水進(jìn)入到毛細(xì)管，在表面張力的作用下水無法流出，在重力和虹吸力的作用下導(dǎo)管內(nèi)的水流向出口，增加了排水效率，并在重力作用下水和土體顆粒自動(dòng)分離，不會(huì)造成導(dǎo)管堵塞。與傳統(tǒng)的渠道設(shè)置暗管排水相比，毛細(xì)透排水帶具有排水效率高、不會(huì)淤堵等諸多優(yōu)點(diǎn)，但毛細(xì)透排水帶在渠道中尚沒有得到很好的應(yīng)用。本次試驗(yàn)采用聚苯乙烯保溫板與毛細(xì)透排水帶相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行渠道防凍脹治理，探索毛細(xì)透排水帶在渠道基土中的排水效果，了解渠道防凍脹破壞的成效。同時(shí)，為以后治理渠道混凝土板凍脹破壞提供新的思路。

1 渠道運(yùn)行存在的問題及原因

寧夏固海擴(kuò)灌揚(yáng)水工程自1999 年開工建設(shè)，2003 年10 月建成通水。從中寧境內(nèi)的高干渠取水，通過多級(jí)泵站向?qū)幭哪喜可絽^(qū)供水，主要解決寧夏中南部六縣區(qū)十六個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)一百多個(gè)行政村的農(nóng)田灌溉和人畜飲水問題。灌區(qū)的總土地面積為5.71 萬hm2，工程設(shè)計(jì)灌溉面積為2.53 萬hm2，設(shè)計(jì)引水流量12.7 m3/s（首級(jí)泵站的引水量）。目前實(shí)際控制灌溉面積（包括設(shè)施農(nóng)業(yè)的補(bǔ)灌面積）為3.06 萬hm2（數(shù)據(jù)來源于寧夏固海揚(yáng)水管理處2019 年的《固海擴(kuò)灌系統(tǒng)各縣（場）作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)查報(bào)告》），占總土地面積的53.5%。固海擴(kuò)灌揚(yáng)水是寧夏中南部山區(qū)人民群眾脫貧致富不可缺失的供水通道。

1.1 渠道運(yùn)行存在的問題

固海擴(kuò)灌揚(yáng)水干渠為混凝土板襯砌的梯形斷面渠道，襯砌結(jié)構(gòu)自上而下為6～8 cm 厚預(yù)制混凝土襯砌板+0.3 mm 厚聚乙烯塑膜，板縫寬5 cm，采用細(xì)石混凝土填筑。渠道經(jīng)過十幾年的運(yùn)行，混凝土襯砌板凍脹破壞嚴(yán)重，在渠道挖方段尤為突出，約占混凝土板破壞總數(shù)的76%。破壞形式主要表現(xiàn)為：板縫的細(xì)石混凝土開裂，約占46%；坡腳兩層的混凝土板隆起、架空，約占28%；邊坡混凝土板向渠道底部滑塌、錯(cuò)位等，約占12%；混凝土板出現(xiàn)整個(gè)坡面滑塌，失去固坡、防滲效果，約占6%；渠道巡護(hù)道路的雨積水、上部邊坡的洪積水對(duì)渠道邊坡混凝土板的沖刷和局部人畜因素破壞等，約占8%。

1.2 渠道改造段的地質(zhì)條件及現(xiàn)狀

針對(duì)渠道破壞的實(shí)際情況，固海揚(yáng)水管理處于2018 年秋季對(duì)滑塌破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重的七干渠（13+050—13+420 段）進(jìn)行砌護(hù)試驗(yàn)段改造，試驗(yàn)段總長370 m。該段為深挖方段，渠道兩側(cè)均為農(nóng)田。該段渠道建在清水河河床的Ⅱ級(jí)階地上，河床上部的地層分布主要為第四系全新統(tǒng)沖積壤土和黏土等，土層較厚，上部為粉質(zhì)黏土層，土壤粒徑小于0.075 mm 的顆粒含量達(dá)到30%～40%（數(shù)據(jù)來源于寧夏水利水電勘測設(shè)計(jì)院2000 年的《寧夏扶貧揚(yáng)黃灌溉工程固海擴(kuò)灌灌區(qū)工程設(shè)計(jì)資料》），屬于典型的凍脹性土壤。

在渠道秋灌停水后，拆除該段的混凝土板時(shí)發(fā)現(xiàn)：原渠道隆起、架空的混凝土板后全部填滿了泥土，有滑動(dòng)跡象的混凝土板后的砂漿墊層上均有厚度不等的泥土，泥土中的含水量較大。渠底和邊坡PE 膜下面的中下部基土中的含水量非常大，有些部位土體的含水量幾乎為飽和狀態(tài)，土壤含水量達(dá)到32%以上。

1.3 渠道混凝土板滑塌的原因

經(jīng)過分析，造成渠道基土中的含水量大和渠道混凝土板滑塌的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）渠道為深挖方段，兩側(cè)為大水漫灌的高地農(nóng)田，灌溉使得渠道兩側(cè)地下水抬高且無法排除，進(jìn)而地下水向渠道底部和邊坡兩側(cè)匯集，導(dǎo)致渠道基土含水量增大。

（2）渠道在每年的11 月底冬灌結(jié)束后，灌區(qū)的最低氣溫為負(fù)值，渠道內(nèi)的明水基本排空，但混凝土板下及PE 膜后匯集了大量的水分不能及時(shí)排出；渠道混凝土板與土層凍結(jié)后，基土中水分體積增大，受土壤凍結(jié)力、凍脹力以及混凝土板自身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力等作用力的影響[6]，混凝土板被抬高，在渠道消融時(shí)，混凝土板與土體間的凍結(jié)力消失，混凝土板與填縫混凝土產(chǎn)生不均勻下沉，導(dǎo)致板縫開裂，隨著渠道混凝土板凍融循環(huán)次數(shù)的增加裂縫逐步擴(kuò)大。在渠道行水期間，有更多的水分和泥沙隨著水的流動(dòng)進(jìn)入開裂的混凝土板后，在凍融循環(huán)中加劇了渠道混凝土板的破壞。

（3）受建設(shè)時(shí)期經(jīng)濟(jì)條件的局限，渠道襯砌沒有采取防凍脹的措施，混凝土板受凍脹破壞嚴(yán)重。

（4）渠道襯砌為梯形斷面，在渠道底板與坡腳板之間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成坡腳混凝土板的隆起、滑塌。

2 渠道防凍脹措施及毛細(xì)透排水帶的布置

2.1 渠道防控措施

預(yù)防控制措施：一是在渠道底部的基土中采用“排”的方式，將農(nóng)田灌溉下滲到渠道基土中的水盡快排出，降低渠道底部及兩側(cè)的地下水位；二是渠道中的水采用“堵”的方法，減少渠道滲漏水對(duì)基土的影響；三是采取工程措施減小渠道的凍脹破壞。

排水方面：在渠道基土中埋設(shè)毛細(xì)透排水帶排出基土中的滲透水，降低地下水位。在渠道中心線的基土中埋設(shè)DN110 PVC 排水管，坡面上埋設(shè)毛細(xì)透排水帶，將毛細(xì)透排水帶的一端與PVC 排水管相連接，通過毛細(xì)透排水帶與排水管形成的排水系統(tǒng)來降低渠道底部土壤中的含水量。

襯砌方面：全斷面鋪設(shè)0.3 mm 厚200 g/m2一布一膜復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲，減少渠道滲漏；采用弧形底梯形斷面形式[7]，在凍脹嚴(yán)重的底部及坡腳段采用15 cm 厚C20 混凝土澆筑，邊坡采用6 cm 厚預(yù)制混凝土板砌筑，板縫間采用C20 細(xì)石混凝土填縫；混凝土板后的膜上過渡層仍采用3 cm 厚的M5 砂漿墊層[8]，并將土工布的一面向上鋪設(shè)，防止砂漿墊層因摩擦力減小而滑動(dòng)；在復(fù)合土工膜的下部鋪設(shè)4 cm厚的聚苯乙烯保溫板。

2.2 毛細(xì)透排水帶結(jié)構(gòu)及排水原理

毛細(xì)透排水帶是由一種抗酸、抗堿性能優(yōu)良的復(fù)合軟質(zhì)塑料制作而成，塑料薄片厚度約2 mm、寬度200 mm，在寬度方向上每隔1.5 mm 在中間開設(shè)直徑約1 mm 的導(dǎo)流圓孔，在每個(gè)圓孔的下方開設(shè)約0.3 mm 寬的溝槽與圓孔相通，使溝槽與圓孔形成毛細(xì)管通道。從塑料薄片的斷面看，每個(gè)圓孔與相連通的溝槽形成內(nèi)大外小如“Ω”形狀的吸水通道；這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，具有毛細(xì)、虹吸、重力和表面張力四種水的自然物理現(xiàn)象，形成毛細(xì)透排水帶獨(dú)特的排水機(jī)理[3]。

毛細(xì)透排水帶的結(jié)構(gòu)形式充分利用了毛細(xì)管的毛細(xì)吸水原理，使土壤中的水進(jìn)入毛細(xì)導(dǎo)水管；由于導(dǎo)水管的毛細(xì)導(dǎo)水槽只有0.3 mm 寬，水進(jìn)入導(dǎo)水溝槽后，會(huì)在溝槽的表面產(chǎn)生表面張力從而阻止水的回流，并使水進(jìn)入圓形導(dǎo)流槽中；當(dāng)土壤中的水在毛細(xì)管的水壓力下充滿圓形導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽中的水會(huì)形成壓差（渠道邊坡的高水位與PVC 管連接處出口間的低水位之間形成壓差），在該壓差的作用下，導(dǎo)流槽中的水會(huì)在重力和虹吸的雙重作用下流向出口，并排到PVC 管道中；導(dǎo)流槽中部分水排走后水在導(dǎo)流槽內(nèi)又形成負(fù)壓，高位土壤中的水又在該負(fù)壓的作用下被吸入導(dǎo)流槽，這樣毛細(xì)透排水帶周圍的水在毛細(xì)壓力和導(dǎo)流槽的負(fù)壓作用下形成排水循環(huán)。

有試驗(yàn)表明，在土壤中埋設(shè)毛細(xì)透排水帶能有效增強(qiáng)土壤的排水能力[9]；甚至有試驗(yàn)表明，在清水條件下，采用毛細(xì)透排水帶后與濾料組成的綜合滲透系數(shù)是未采用毛細(xì)透排水帶的原濾料滲透系數(shù)的4～5 倍[10]。這表明在渠道基土中埋設(shè)毛細(xì)透排水帶能大大增加基土的排水能力。同時(shí)，又因毛細(xì)透排水帶在溝槽中開口面是向下鋪設(shè)，土壤中的水在毛細(xì)作用下進(jìn)入排水帶，而土壤中的細(xì)小顆粒因重力作用向下沉淀，形成水土自動(dòng)分離，土壤顆粒在重力作用下自然下沉，不會(huì)隨水流進(jìn)入導(dǎo)水槽中。這種結(jié)構(gòu)形式，能有效防止渠道基土的細(xì)小顆粒進(jìn)入排水系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)渠堤產(chǎn)生擾動(dòng)現(xiàn)象，可保持渠堤的長期穩(wěn)定。

2.3 毛細(xì)透排水帶在渠道中的布設(shè)與施工

2.3.1 排水帶布設(shè) 在渠道底部基土的中心線上鋪設(shè)通長DN110 PVC 排水管，管道鋪設(shè)的比降與渠道設(shè)計(jì)比降相同。在垂直于PVC 排水管兩側(cè)的渠道坡面上，每隔1.2 m 鋪設(shè)一條毛細(xì)透排水帶，將毛細(xì)透排水帶的一端連接到渠底的PVC 管上，另一端沿坡面鋪設(shè)到渠道的內(nèi)邊坡上，每條排水帶的鋪設(shè)長度為4 m，排水帶頂部埋設(shè)高度為渠道邊坡基土中含水量明顯變化的位置。PVC 管道沿渠道改造段的首端一直鋪設(shè)到改造段的末端，在末端將排水管引到渠道的外坡，并將排水管引入排洪溝道中做好排水的尾水工程，防止出現(xiàn)溝道沖刷。

2.3.2 渠道內(nèi)的排水施工

（1）PVC 管的鋪設(shè)。原渠道混凝土板全部拆除后，按照渠道設(shè)計(jì)的斷面形式，將渠道襯砌斷面的土方修整到位。在渠道底部向下開挖40 cm 深，底部寬度為40 cm 的梯形溝槽，邊坡開挖坡度按照邊坡的穩(wěn)定為原則。在溝槽的底部鋪設(shè)5～8 cm 的砂土，并將溝槽的比降按照渠道比降調(diào)整平順后鋪設(shè)DN110 PVC 排水管。排水管一直沿渠道鋪設(shè)到改造段的末端，將排水管引到渠道外面的排水溝道內(nèi)。在埋設(shè)DN110 PVC 排水管時(shí)把管道上游側(cè)的一端直接封堵，避免泥土從管道端頭進(jìn)入排水管中。

（2）毛細(xì)透排水帶的施工。在渠道兩側(cè)的坡面上每間隔1.2 m 的距離鋪設(shè)一條毛細(xì)透排水帶，每條毛細(xì)透排水帶的長度為4.0 m。在渠道垂直于排水管兩側(cè)的坡面上開挖寬30 cm、深20 cm 的槽；整平后在溝槽內(nèi)回填適量的砂土，將裁剪好的毛細(xì)透排水帶鋪設(shè)在修整好的溝槽內(nèi)，毛細(xì)透排水帶的開口面向下鋪設(shè)。在PVC 排水管對(duì)應(yīng)安裝毛細(xì)透排水帶的位置，在管道的中上部兩側(cè)分別用砂輪機(jī)切20 cm長、2 mm 寬的縫隙，將毛細(xì)透排水帶插入PVC 排水管中，在排水帶的上部（背面）用硅膠和膠帶與開口的PVC 管粘接牢固，并將切割排水管時(shí)多切的縫隙全部用硅膠封堵嚴(yán)密，防止土體顆粒沿縫隙進(jìn)入排水管中。排水帶在邊坡的溝槽內(nèi)鋪平，鋪設(shè)時(shí)不能出現(xiàn)皺褶以免影響排水，排水帶的上端口用硅膠全部封堵，避免泥土從排水帶的端部進(jìn)入排水帶，造成排水帶阻塞。隨后用釘或者絲鉤將排水帶的上端固定在渠道的坡面上，并將固定排水帶的釘頭埋入基土中，不能外露到坡面上，以免造成后序施工中土工膜的破損。

（3）回填土施工。在PVC 管與排水帶全部鋪設(shè)、連接完成后，在PVC 排水管與毛細(xì)透排水帶接口處30 cm 的范圍內(nèi)全部用砂土回填到設(shè)計(jì)高程，排水管其他部位的溝槽以及毛細(xì)透排水帶的邊坡槽全部用土料回填到設(shè)計(jì)高程，并夯實(shí)。

（4）渠道砌護(hù)施工。渠道基土上部的施工依次為鋪設(shè)4 cm 厚的聚苯乙烯泡沫塑料保溫板→全斷面鋪設(shè)防滲土工膜→底部及圓弧段現(xiàn)澆15 cm 厚的C20 混凝土→邊坡鋪設(shè)6 cm 厚的預(yù)制混凝土板等工序。這種渠道防滲襯砌結(jié)構(gòu)已提出并實(shí)施了多年，均有現(xiàn)成的施工標(biāo)準(zhǔn)和方法，這里不在重述。

渠道襯砌結(jié)構(gòu)及毛細(xì)透排水帶鋪設(shè)詳見圖1。

圖1 固海擴(kuò)灌七干渠改造段襯砌結(jié)構(gòu)及毛細(xì)透排水帶鋪設(shè)圖

3 渠道斷面的觀測及結(jié)果

3.1 觀測點(diǎn)的設(shè)置

在改造的370 m 渠道中，分別在改造段樁號(hào)13+120、13+190、13+260、13+330 處設(shè)置4 個(gè)觀測斷面。每個(gè)斷面分別在渠道的底部中心線、渠道兩側(cè)現(xiàn)澆圓弧段的頂部、渠道襯砌板的上板沿部位設(shè)置觀測點(diǎn)，每個(gè)斷面共設(shè)置5 個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行渠道凍脹量的觀測。

在渠道12+520 退水閘的閘墩上設(shè)置高程控制點(diǎn)，采用四等水準(zhǔn)閉合測量的方法進(jìn)行高程控制觀測，開口寬度采用鋼尺測量。為有效控制渠道的高程與開口寬度，在渠道混凝土澆筑和混凝土板的砌護(hù)過程中，在控制點(diǎn)采用預(yù)埋固定點(diǎn)的辦法進(jìn)行測量控制，在施工完成后、冬灌上水前對(duì)高程控制點(diǎn)進(jìn)行閉合測量，開口寬度用鋼尺測量并校正無誤，在控制點(diǎn)上進(jìn)行固定標(biāo)記。

3.2 觀測點(diǎn)的測量結(jié)果

在2018 年秋季該段渠道施工結(jié)束后對(duì)4 個(gè)觀測斷面上的20 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行高程和開口寬度的測量，作為后面2 個(gè)凍融周期測量的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。2 年內(nèi)分4 次測量，分別在1 月大地全部封凍和9 月秋灌停水后（地下水位較高時(shí)期）進(jìn)行測量。

4 個(gè)斷面20 個(gè)控制點(diǎn)，經(jīng)過兩年4 次測量，與完工后控制點(diǎn)的測量值進(jìn)行對(duì)比（表1）可知：80 組數(shù)據(jù)測得的高差數(shù)值在6 mm 以內(nèi)的有18 個(gè)點(diǎn)，占總點(diǎn)數(shù)的90%；只有13+190 左側(cè)混凝土上板沿點(diǎn)和13+330 右側(cè)混凝土上板沿的測量值變化差值較大。渠道開口寬度的測量，冬季和秋季的長度差值均在10 mm 以內(nèi)。PVC 排水管在2019 年6 月份開始有水排出，開始排水有些渾濁，在6 月下旬變?yōu)榍逅?，到目前排水正常。砌護(hù)段渠道經(jīng)過兩個(gè)凍融季節(jié)的運(yùn)行，運(yùn)行良好，渠道底部的現(xiàn)澆混凝土板和邊坡混凝土砌護(hù)的混凝土填縫間均無裂縫現(xiàn)象。有資料（寧夏水利科學(xué)研究院2005 年的《寧夏灌區(qū)渠道防滲防凍脹技術(shù)集成與應(yīng)用研究》報(bào)告）表明，基土粒徑小于0.075 mm 的土粒質(zhì)量大于總質(zhì)量的10%以上時(shí)，基土的凍脹量在6.4～17.3 cm。本次試驗(yàn)段實(shí)測渠道混凝土板凍脹的高差數(shù)據(jù)（90%的觀測點(diǎn)）在6 mm 以內(nèi)，充分說明渠道采用聚苯乙烯保溫板和毛細(xì)透排水帶排水相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，能有效控制基土對(duì)混凝土板的凍脹破壞，將渠道基土的凍脹量控制在合理范圍內(nèi)。本次試驗(yàn)在渠道的防凍脹中取得了良好的效果。

表1 渠道斷面高程測量數(shù)值與原設(shè)計(jì)高程比較的相對(duì)值

4 結(jié)論

（1）對(duì)渠道采取聚苯乙烯保溫板和毛細(xì)透排水帶排水相結(jié)合的防凍脹結(jié)構(gòu)，可以有效防止渠道因冬季停水后基土凍結(jié)期的凍脹作用對(duì)混凝土襯砌板的凍脹破壞。

（2）在渠道防凍脹措施中鋪設(shè)毛細(xì)透排水帶，可以在基土的凍結(jié)期到來之前，將地下水側(cè)向補(bǔ)給給渠道基土中的水通過毛細(xì)透排水帶及時(shí)排走，有效降低基土中的含水率，減少渠道基土的凍脹，防止混凝土板凍脹破壞的發(fā)生。

（3）毛細(xì)透排水帶其特有的結(jié)構(gòu)形式，能充分利用水的毛細(xì)力、虹吸力、重力和表面張力的四種特性，及時(shí)將匯聚的地下水排離出去，并在排水過程中與周邊的土體形成反濾作用，自動(dòng)將水與土體顆粒分離，有效防止毛細(xì)透排水帶的堵塞和土體顆粒的流失，不會(huì)對(duì)渠堤基土產(chǎn)生擾動(dòng)，保持渠堤的長期穩(wěn)定。