西北地區(qū)高揚(yáng)程灌區(qū)渠道六棱體混凝土板襯砌防凍脹研究

王金恒

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

1 基本情況

1.1 工程概況

景電一期工程地處甘肅省白銀市景泰縣中部，在1969年底開(kāi)始施工，到1971年底上水，是甘肅省至今50年以來(lái)最早建成的大Ⅱ型電力提水灌溉工程，具有跨省區(qū)、梯級(jí)多、高揚(yáng)程、流量大等特點(diǎn)。耗資約6 608萬(wàn)元，該灌區(qū)呈長(zhǎng)方形形狀，總面積達(dá)36 680公頃，其中適宜于農(nóng)業(yè)土地面積約占68%；灌區(qū)內(nèi)地表水和地下水資源十分短缺，灌區(qū)從黃河提水。設(shè)計(jì)流量28.6，加大流量33，建有泵站43座，裝機(jī)容量達(dá)25.97×104kW，其中主要提灌泵站13座，有6座坐落于總干渠，5座在西干渠，剩余2座位于總二支渠上；建成干、支、斗渠共1 391條，總長(zhǎng)2 422 km，總投資8.56億元，工程設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅲ等4級(jí)。該工程整體規(guī)劃、分期建設(shè)。景電一期工程以“高揚(yáng)程、大流量”而享有盛譽(yù)。

1.2 工程改造的重要性和必要性

景電一期工程始建于1969年，當(dāng)時(shí)有很多方面條件制約，工程設(shè)計(jì)不全面，施工標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量相對(duì)落后。從剛開(kāi)始上水年底起，短短幾個(gè)月，就有一些渠道發(fā)生了不同程度的滲水情況，甚至有地方出現(xiàn)水流跨渠淹沒(méi)農(nóng)田等現(xiàn)象，給灌區(qū)造成很大的損失，通水50多年來(lái)，渠道的混凝土自然老化，襯砌保護(hù)層脫落，滑坡現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，該工程正常運(yùn)行已存在安全隱患。因此，為使得工程正常且安全運(yùn)行，在1996年將一些損壞嚴(yán)重的渠段列為“景電一期灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目”的重點(diǎn)，每一年都進(jìn)行檢查和優(yōu)化。

在中國(guó)北方季凍區(qū)，渠道的襯砌構(gòu)件變形或損壞是影響施工效果發(fā)揮的主要原因。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究總結(jié)，渠道的襯砌構(gòu)件變形或損壞形式主要分成兩類(lèi)：一類(lèi)是施工質(zhì)量不過(guò)關(guān)，制造過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)本身不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致渠面出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重渠面還會(huì)出現(xiàn)局部塌陷等，相應(yīng)的渠道防滲能力大大下降，水量損耗嚴(yán)重；而另一類(lèi)是渠床基土不斷發(fā)生凍融循環(huán)而造成渠道結(jié)構(gòu)變形甚至破壞，原理主要就是“冷脹熱縮”，最終導(dǎo)致襯砌板隆起、折斷、坡面失穩(wěn)滑動(dòng)，襯砌結(jié)構(gòu)遭到破壞，該渠道破壞斷面對(duì)渠道過(guò)水能力有很大不利影響，在工程運(yùn)行過(guò)程中存在很大安全隱患，是現(xiàn)在大多工程單位急需解決的一項(xiàng)重大難題。

2 渠道襯砌變形破壞原因分析

2.1 人為因素

在工程設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)人員沒(méi)有對(duì)渠道基土進(jìn)行研究分析，沒(méi)有對(duì)地下水監(jiān)測(cè)調(diào)查，只僅僅做了一些前期的水力計(jì)算和普通的襯砌造型設(shè)計(jì)，導(dǎo)致工程運(yùn)行過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)破壞；還有一種情況是在設(shè)計(jì)方案合理的前提下，施工管理人員在施工階段懈怠，沒(méi)有嚴(yán)格地把控施工質(zhì)量，造成后期渠道通水后有一定風(fēng)險(xiǎn)。這種渠道襯砌變形破壞，根本原因是設(shè)計(jì)與施工階段人為造成的。

2.2 凍害類(lèi)型

景電灌區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，冬天溫度?℃以下，零下氣溫對(duì)渠道襯砌與防滲工程是否良好起著至關(guān)重要的作用。渠道破壞主要有凍脹破壞、冰凍破壞和凍融破壞。該灌區(qū)的凍脹破壞，分為以下三個(gè)階段：

（1）形成階段。凍結(jié)期在灌區(qū)冬灌停水后就開(kāi)始了，經(jīng)檢測(cè)，渠道基土水分含量較高，尤其在粘土地段。在季凍區(qū)，每年的三、四月份施工過(guò)程中不難發(fā)現(xiàn)，渠庫(kù)基土在此時(shí)間段內(nèi)形成飽和或不飽和凍土層，因?yàn)閮鐾翆铀控S富，所以一些地段的凍土層在凍融后產(chǎn)生了膨脹變化表面開(kāi)裂。因?yàn)樵撾A段整體上變形很小，肉眼不容易發(fā)現(xiàn)，所以，人們將這一微小的凍脹過(guò)程產(chǎn)生的變形忽略不計(jì)，假定渠道結(jié)構(gòu)基本是完好的，該過(guò)程引發(fā)凍脹的各因素相互疊加，是渠道襯砌膨脹隆起、開(kāi)縫脫落的起始階段。

（2）發(fā)展階段。該階段由于土壤、水、溫度等因素耦合作用，凍脹量隨著時(shí)間推移逐年增加，裂縫數(shù)量及規(guī)模也加劇，局部不均勻膨脹愈加明顯，襯砌砼板發(fā)生錯(cuò)動(dòng)甚至脫落，這一過(guò)程就是惡性循環(huán)過(guò)程。

（3）破壞階段。該階段在不斷凍脹循環(huán)的條件下襯砌板發(fā)生變形和位移，局部襯砌板會(huì)發(fā)生破碎，渠道斷面整體發(fā)生偏心。經(jīng)過(guò)凍脹過(guò)程，凍結(jié)層初始融化發(fā)生在春灌期間，凍結(jié)層下部仍處于凍脹狀態(tài)，該凍結(jié)層不透水，土體水分達(dá)到飽和，土體抗剪強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，上層未凍結(jié)構(gòu)順著凍結(jié)層冰面發(fā)生位移，此時(shí)，襯砌混凝土板無(wú)支撐作用而開(kāi)始下滑，襯砌混凝土板掉落。該灌區(qū)渠道凍脹破壞如下圖1、圖2所示。

圖1 渠道凍脹破壞

圖2 渠道凍脹破壞

在景電工程設(shè)計(jì)方案中已包含了抗凍脹部分，因?yàn)楣潭ㄍ顿Y額有所限制，所以不能完整的消除凍脹破壞現(xiàn)象，襯砌層保護(hù)的基土為強(qiáng)凍脹性土質(zhì)，防滲能力較差，導(dǎo)致土壤中水分含量遠(yuǎn)高于初始凍脹時(shí)土壤含水量；在溫度零下的冬天，由于凍結(jié)作用，土壤中水分開(kāi)始運(yùn)移并集中，程度嚴(yán)重會(huì)出現(xiàn)冰夾層，平常只會(huì)出現(xiàn)冰晶體，土體自身發(fā)生膨脹，膨脹的程度由各種條件決定，順著渠道斷面表現(xiàn)形式不同，使得渠道發(fā)生了變形和破壞，渠道工程的運(yùn)行年限大大縮短。

3 六棱體混凝土板襯砌的優(yōu)劣

六棱體混凝土板襯砌渠道是景電灌區(qū)引進(jìn)的一項(xiàng)新技術(shù)，渠道護(hù)面采用正六邊形混凝土板鋪設(shè)，填縫采用聚氯乙烯泥。從渠道襯砌完成后，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，效果非常好，六棱體混凝土板襯砌形式簡(jiǎn)單，六棱體六條邊縫存在水壓力分散，結(jié)構(gòu)合理，應(yīng)力相對(duì)減少，防凍脹效果非常好，在景電灌區(qū)已經(jīng)開(kāi)始大力推廣。

3.1 主要優(yōu)勢(shì)

在單位塊體面積相等的情況下，對(duì)于等面積的渠道面，鋪設(shè)正六邊形混凝土預(yù)制板塊，其板塊之間的總縫長(zhǎng)度小于鋪設(shè)正四邊形所形成的縫隙。正六邊形襯砌板塊與其他各形狀板塊相比，正六邊形襯砌板塊之間的機(jī)械咬合作用強(qiáng)，所以在渠道發(fā)生凍脹時(shí)正六邊形襯砌板塊遭受破壞的程度及范圍就大大減小。綜上，六棱體混凝土板襯砌渠道在保障接縫質(zhì)量的前提條件下，可以有效降低渠基土壤含水量和控制護(hù)面范圍，是一種良好的應(yīng)對(duì)凍脹破壞的襯砌形式。六棱體襯砌結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 六棱體襯砌渠道

3.2 渠道防滲抗凍襯砌結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

在景電一期渠道工程實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)證明，渠道表面使用六棱體混凝土板襯砌對(duì)降低渠道凍脹有很好的效果，還能防止渠底淤積，不影響水流過(guò)流能力，因此這種六棱體襯砌結(jié)構(gòu)該推廣使用。砼板一般為100～150號(hào)砼，厚度采用6～8 cm，實(shí)踐證明，在3 m/s以下流速板厚6 cm就可以確保安全。更重要的是對(duì)基層采取合理的抗凍脹措施：如換填基土（30～60 cm砂礫石）。首先對(duì)凍土翻夯使得土質(zhì)干容重達(dá)到最大，再在基土上鋪設(shè)土工膜防滲。在西北一些很容易發(fā)生凍脹的地區(qū)，擋土墻結(jié)構(gòu)非常實(shí)用，為方便起見(jiàn)當(dāng)?shù)匾胸S富的石料資源，使用擋土墻結(jié)構(gòu)必須確保襯砌施工質(zhì)量，否則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重滲水。為防止?jié)B水，對(duì)渠道表面還可以采用水泥沙漿抹面，景電一期總干渠四至五泵站就采用了之一方法，并且渠道運(yùn)行多年完好無(wú)損。對(duì)于地下水位較低的灌區(qū)，渠道采用砼與塑性薄膜復(fù)式結(jié)構(gòu)，最下層是2～3 cm塑性薄膜，起防滲作用，避免基土含水量高而發(fā)生凍脹，過(guò)渡層采用50#水泥砂漿，最后在上邊鋪設(shè)六棱體混凝土板，六棱體混凝土板厚5～6 cm，混凝土板可以防下滲、防沖刷、防滑塌，對(duì)于渠道發(fā)生輕微凍脹有較好的適應(yīng)性，凍融前后渠道表面基本未發(fā)生凍脹破壞，但這一方法對(duì)于地下水位較高的凍脹區(qū)不適合。而對(duì)于地下水位較高的灌區(qū)，當(dāng)渠道下基土為粘土或壤土?xí)r，由于地下水的影響會(huì)發(fā)生強(qiáng)凍脹，渠道會(huì)發(fā)生十分嚴(yán)重破壞，這時(shí)可以采用砂礫石墊層換填，換填層厚度30～70 cm，換填層上再鋪設(shè)不透水薄膜，過(guò)渡層采用50#水泥砂漿，表面鋪設(shè)六棱體混凝土板，這樣可大幅度降低凍脹量，減少襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。以上方案是經(jīng)實(shí)踐證實(shí)可以推行的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)渠道襯砌凍脹變形的成因分析后，以及實(shí)際原型試驗(yàn)表明，西北地區(qū)高揚(yáng)程灌區(qū)渠道表面采用六棱體砼板襯砌結(jié)構(gòu)這一方案可行性高，可以有效地減小渠道凍脹破壞，該設(shè)計(jì)方案從各方面來(lái)說(shuō)安全、經(jīng)濟(jì)、合理，可以更大程度的增加渠道工作時(shí)間。其效益主要有以下幾點(diǎn)：（1）相比較其他形狀襯砌結(jié)構(gòu)，采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)更能降低凍脹量，避免渠道破壞。（2）采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)可降低水流在渠道運(yùn)行時(shí)的損失率，為農(nóng)業(yè)灌溉額外提供一部分可觀的水量。（3）采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)可減少維修費(fèi)用，確保渠道能夠長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。（4）采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)可有效防止水流下滲，減小對(duì)地下水的補(bǔ)償，降低地下水位，防止或改善土壤鹽堿化。（5）綜合考慮，采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)這一方案可以為灌區(qū)農(nóng)業(yè)豐收提供保障，推動(dòng)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展。