淺議寶雞峽東五支渠道襯砌工程抗凍脹設(shè)計(jì)及治理措施

郭曉玲

(陜西省寶雞峽引渭灌溉中心，陜西 咸陽 712000)

1 灌區(qū)概況

寶雞峽灌區(qū)位于陜西省關(guān)中西部，是陜西省最大的灌區(qū)。從渭河左岸引水，受益范圍涉及寶雞、咸陽、、楊凌、西安4個市(區(qū))的14個縣(區(qū))，有效灌溉面積約283萬畝，其中自流灌溉面積約占2/3，提水灌溉面積約占1/3。寶雞峽灌區(qū)東五支渠灌溉禮泉、秦都、涇陽三縣10.70萬畝農(nóng)田，全長31.2 km，設(shè)計(jì)流量2.84 m3/s，1971年建成受益。位于關(guān)中西部的渭河二級階地上，屬典型的季節(jié)性凍土地區(qū)，根據(jù)氣象站臺資料，最大凍深30 cm，多年平均凍深18 cm，為防御襯砌渠道基土受其凍脹而破壞，須進(jìn)行抗凍脹設(shè)計(jì)。

2 灌區(qū)東五支渠道抗凍脹設(shè)計(jì)

2.1 抗凍脹設(shè)計(jì)常用參數(shù)

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)凍深H0

標(biāo)準(zhǔn)凍深即工程所在地區(qū)氣象臺站的多年凍深平均值，該區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)凍深H0=18 cm。

2.1.2 設(shè)計(jì)凍深Hd

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL23—91)第2.1.3條中的式(1)設(shè)計(jì)凍深。

Hd=KP·Kd·K2·H0

(1)

式中：Hd為工程設(shè)計(jì)凍深；KP為頻率模比系數(shù)，由《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》中的圖2.1.4 KP～H0關(guān)系曲線查得，三級建筑物(5%)KP=1.5。Kd為考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù)。

各部位取值如下：向陽面：Kd=0.65；底面：Kd=1.20；陰面：Kd=1.50；K2為地下水影響系數(shù)，按表2.1.6確定，K2=1.0。

根據(jù)灌區(qū)渠道具體情況，各部位設(shè)計(jì)凍深計(jì)算如下：

向陽面：Hd=KP·Kd·K2·H0=1.5×0.65×1.0×18=17.6 cm

底面：Hd=1.5×1.20×1.0×18=32.4 cm

陰坡面：Hd=1.5×1.50×1.0×18=40.5 cm

2.2 凍脹量計(jì)算

《規(guī)范》規(guī)定：凍脹量應(yīng)盡量在現(xiàn)場按照工程建成后的土質(zhì)、水分、溫度及運(yùn)行條件，進(jìn)行原型模似測定。實(shí)測存在困難時，可用式(2)計(jì)算。

地下水深埋地區(qū)：凍脹量h=(aP·f·Hd)/100

(2)

式中：ap為荷載修正系數(shù), 對于小型渠道襯砌aP≈1.0；f為土的平均凍脹強(qiáng)度(%)，地下水深埋地區(qū)f=d2(ω-β2ωP)。其中，d2為系數(shù)，取值0.40；β2為系數(shù)，取值0.80；ωP為基土的塑限含水量(%)，東五支實(shí)測五組20個試樣的平均塑限含水量20.27%。

ω為日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃前或后5 d內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)凍深范圍內(nèi)土的平均重量含水量百分比。該含水量為襯砌工程按設(shè)計(jì)完建后襯砌板下各部位0℃前后的含水量；其在工程設(shè)計(jì)階段是難以確定的數(shù)值，能參照本區(qū)域已建工程的實(shí)測資料。

根據(jù)1990年陜西省水科所、寶雞峽管理局、陜西省水利廳科教處三單位聯(lián)合完成的《大U形砼渠道施工工藝及防滲抗凍效果的研究》資料：對寶雞峽塬上總干渠試驗(yàn)段的襯砌板后含水量，三次鑿開渠道砼襯砌板，取土樣測定，絕大多數(shù)在17%～23%(資料認(rèn)為該段襯砌工程質(zhì)量較好，縫內(nèi)防滲處理也較理想，符合目前的設(shè)計(jì)要求)。

最終干渠的陽坡、渠底和陰坡在ω=7%～23%之間時的各部位凍脹量計(jì)算見表1。從凍脹量計(jì)算明顯可知，對一特定地區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)凍深H0，設(shè)計(jì)凍深Hd為一定值，而唯一影響凍脹量的因素為基土的凍脹期含水量ω，ω越高，基土的凍脹量就越大。

表1 各部位凍脹量計(jì)算表 cm

2.3 判定基土的凍脹類型

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.3.2條地基土凍脹性分類標(biāo)準(zhǔn)，陰坡含水量在23%情況下，最大凍脹量h=1.098 cm，屬Ⅰ類凍脹。

2.4 允許凍脹量計(jì)算

該渠道擬采用砼襯砌，根據(jù)流量及《規(guī)范》第3.2.3條，為襯砌高度小于1.5 m，所以襯砌渠道允許位移值為1.6 cm。

2.5 抗凍脹計(jì)算成果分析

東五支地基土凍脹期假定土體含水量23%，其陽坡、渠底、陰坡的土體凍脹量分別為0.477 cm、0.879 cm、1.098 cm，只有14+000～19+893渠段的陰坡凍脹量1.098 cm大于《規(guī)范》規(guī)定的允許位移量1.0，其余均小于《規(guī)范》規(guī)定的允許值。

3 抗凍脹治理措施建議

從抗凍脹計(jì)算的全過程看：在季節(jié)性凍土地區(qū)，形成土體凍脹的基本要素是：基土的凍脹性、能夠產(chǎn)生凍脹的含水量和較低的凍結(jié)氣溫。這三個因素是襯砌渠道受凍脹以致破壞的充分且必要條件，采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，使三種因素不具有同時性，基土就不會有凍脹出現(xiàn)，襯砌也就能避免凍脹破壞。通過對東五支渠道進(jìn)行防凍脹設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算成果及規(guī)范，從適應(yīng)凍脹、回避凍脹、消減或削除凍脹三個方面綜合考慮，可以采用三種常用的治理方法：

(1)以轉(zhuǎn)換基土的辦法消除基土所固有的凍脹性。

(2)采用渠道防滲技術(shù)最大限度的降低基土的含水量。

(3)采用基土保溫措施，以提高基土的溫度。

結(jié)合工程實(shí)踐來看，采用轉(zhuǎn)換基土消除土體凍脹量雖是治本之法，但難以付諸工程實(shí)施。而常常采用的，也是行之有效的工程措施則是防滲及保溫兩種。對于地下水埋深較線的地區(qū)，防滲措施往往起不到控制基土內(nèi)含水量的目的，常采用聚苯乙烯泡沫塑料板墊層保溫。對于東五支渠地下水埋深大(大于20 m)可采用防滲工程措施，亦可采用保溫工程措施。前者具有一舉兩得之效，即防滲抗凍又防滲節(jié)水，還具有投資小，易施工等特點(diǎn)。而后者則僅為抗凍脹而設(shè)，造價(jià)大，不易施工。本渠道襯砌設(shè)計(jì)將選用前者，即采用瀝青玻璃絲布油氈(簡稱瀝青布)鋪貼部分陰坡襯砌板后的防滲工程措施，以降低襯砌板后基土的含水量，減小凍脹量，使其凍脹位移值滿足抗凍脹要求。

4 結(jié)語

寶雞峽灌區(qū)作為運(yùn)行近百年的老灌區(qū)，面對新時期鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略要求，灌區(qū)硬件和軟件條件等方面還存在諸多不足和弱點(diǎn)。各級渠道是灌區(qū)的毛細(xì)血管和輸水生命線，灌區(qū)管理者和技術(shù)人員應(yīng)不斷探索高效合理的渠道運(yùn)維方式，提高渠道的灌溉過水能力，將有限的水資源盡可能地服務(wù)于“鄉(xiāng)村振興”，為新時期鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。