凍脹土及高地下水位渠道上干砌塊石襯砌應用研究

李愛萍，王進軍

甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅玉門 735211

甘肅省疏勒河流域水資源利用中心昌馬灌區(qū)屬于國家大型自流灌區(qū)坐落在西端疏勒河干流中游，有著南高北低地勢結(jié)構(gòu)，對應海拔1 300～1 885 m，地理位置96°25′～97°30′E，40°05′～40°35′ N，南北和東西長度分別是55 km、85 km，橫跨玉門、瓜州兩縣市，合計面積3 380 km2，現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)灌溉面積是4.65萬hm2，長期干旱降雨量少，晝夜溫差大，四季多風沙?，F(xiàn)有骨干輸水渠道干渠、支干渠以及支渠88條640.4 km，建筑物2 065座，其中干渠8條，支干渠10條，主要承擔著甘肅省酒泉市轄區(qū)內(nèi)玉門、瓜州2縣市12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及甘肅農(nóng)墾團廠等4個國營農(nóng)場農(nóng)業(yè)灌溉任務，對推動瓜州、玉門2縣市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展具有積極影響。

1 灌區(qū)渠道存在的問題

灌區(qū)屬季節(jié)性凍脹地區(qū)，冬季漫長寒冷，凍脹期為每年11月至翌年4月，最大凍土深度為1.5 m，地質(zhì)條件除西干渠及南干渠、碎石土層外，其他的還保留在粉質(zhì)壤土或黏土層中，客觀存在地段地質(zhì)、地形復雜化、渠線較長等問題。在運作時，由于凍脹破壞產(chǎn)生的渠道安全問題，尤其是穿越高地下水位的渠段，每年經(jīng)過冬季凍脹期后，骨干渠道都會發(fā)生基土融沉、邊坡凍脹鼓起、渠道變形等問題，嚴重影響了灌區(qū)輸水灌溉，每年都需要投入大量資金進行維修和改建。

2 研究內(nèi)容

通過收集和探測昌馬東干渠、北一支干渠干砌塊石襯砌渠段氣象、地質(zhì)資料，采用實驗和分析的方法，得出各觀測斷面凍脹量與凍脹性之間的關(guān)系、最大凍深渠時道內(nèi)部溫度保持均勻、渠道多個監(jiān)測斷面殘余變形分布情況、凍前和最大凍深時土層含水率分布情況，總結(jié)出干砌石在凍脹土及高地下水位的適用范圍，并通過對比凍脹破壞區(qū)域的成因確定維修方案，為進一步工程設(shè)計提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，降低工程造價和維修費用。

3 渠道凍害破壞的原因分析

3.1 渠床的土質(zhì)條件

若渠床的重要組成結(jié)構(gòu)式粗顆粒土時，整體凍脹量不高，如出現(xiàn)非均勻性的襯砌適應，將使凍脹變形能力保持良好，同時能降低凍害風險。若果渠床式細粒土，則渠床土含水量較大，在地下水補給時，凍脹量顯著增加。如果渠床內(nèi)優(yōu)先選取混凝土或漿砌石，同時適應變形能力小剛性襯砌，保持較明顯凍害破壞。

3.2 渠床的水分條件

渠床土凍脹性大小、凍脹率沿深度布局等因素，都與水分條件密切相關(guān)。從某些角度分析，渠床水分條件會導致渠道襯砌凍害破壞。在這個過程中，需要以渠床水分條件為標準完成細分：一類是地面滲水使渠床土體含水量有效提高，進而導致凍脹使襯砌破壞風險上升；另一類則是在地下水不足環(huán)境中，使下渠床凍脹，進而破壞襯砌。前者凍脹量不高，襯砌凍害破壞程度也相對偏低，后者的凍脹量偏高，使襯砌凍害破壞較為明顯。由于水分條件存在差異，凍脹率沿深部分布將呈現(xiàn)顯著的差異。混凝土預制板襯砌裂縫主要出現(xiàn)在坡腳和渠底，并且需要考慮渠床土體水分狀態(tài)的影響。

3.3 渠床的溫度條件

東西走向渠道時，南坡凍結(jié)深度＞北坡凍結(jié)深度，核心原因是陽坡日照周期較長，同時日照強度較大。

4 試驗區(qū)渠道現(xiàn)狀及凍脹情況

以昌馬東干渠及北一支干渠為研究對象，東干渠總長度59.8 km，設(shè)計流量為1.91～6.00 m3/s，加大流量2.29～6.5 m3/s,農(nóng)業(yè)灌溉總面積6 742.7 hm2，高地下水位主要集中在13.30～20.08 km渠段內(nèi)；北一支干渠總長度13.16 km。設(shè)計流量1.5～1.9 m3/s，加大流量1.95～2.47 m3/s，農(nóng)業(yè)灌溉總面積2 676.0 hm2，高地下水位集中在0.15～11.5 km渠段內(nèi)。經(jīng)實地調(diào)查、取樣，研究區(qū)內(nèi)渠段均屬于挖方渠段，渠基和渠坡基土性質(zhì)為粉質(zhì)黏土，這些渠段發(fā)生凍脹破壞的形式相似，均為坡腳處預制板鼓脹下滑，渠底隆起，最終導致邊坡砼預制板邊坡整體塌落及下滑。

5 試驗情況簡介

干砌塊石襯砌形式在凍脹土及高地下水位的應用研究試驗是在冬季停水后，分別在東干渠、北一支干渠選取2個觀測斷面，安排專人對觀測斷面的地溫、基土含水率、襯砌體的位移情況進行了觀測。

第一，在選定的控制點斷面采用溫度計測量表面20、40、60、80 cm深土層的渠底和邊坡進行定期溫度觀測。

第二，在凍前和最大凍深時測定0～80 cm土壤含水率。

第三，視準線法測量位移，具體為采用水準儀及鋼尺測定干砌石襯體的水平和垂直位移。①試驗儀器：經(jīng)緯儀、水準儀、鋼尺、方尺(直角尺)；②視準線法在試驗應用上具體方法如圖1所示。

圖1 水平位移觀測示意圖

由圖1可知，A和B屬于視準線下的基準點，能建立水平位移觀測點，在對其進行觀測時，經(jīng)緯儀需要保留在A點，而儀器也需要對準B點位置，則在渠底投影出A—B視準線。在視準線上定出要觀測的C點和D點的位置(圖2)。

圖2 垂直位移觀測示意圖

如圖2所示，用鋼尺及方尺等工具量得DF點距離，用水準儀測出DF點高差，則可求出B點的水平距離EF，以第一次觀測的數(shù)值為基準數(shù)值，與以后每次觀測的數(shù)值的差即為其水平位移。渠底位移為視準線的偏移距離。

第四，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范(SL23—2006))》對渠道基土凍脹量進行計算，通過以上觀測及計算數(shù)據(jù)，分析干砌石砌體抗凍脹適用范圍[2]。

通過現(xiàn)場實測求得各觀測斷面凍脹量與凍脹性之間的關(guān)系、最大凍深渠道溫度場所的布局、渠道檢測斷面殘余變形分布情況、凍前和最大凍深時土層含水率分布情況，總結(jié)出干砌石在凍脹土及高地下水位的適用范圍和通過對比凍脹破壞區(qū)域的成因和維修方案，為進一步工程設(shè)計提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，降低工程造價和維修費用。

6 結(jié)果與分析

6.1 土質(zhì)分布情況分析

北一支干渠渠段。針對渠道的地質(zhì)條件、地下水埋深信息進行分析，上述區(qū)域都是挖方渠段，渠基和渠坡則重點放置在apLQ粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土土層中，在地表1 m以上的位置，鹽堿保持較高的含量，即1.8～7.8 g/kg，這也是亞硝酸鹽鹽漬土，將其干密度設(shè)定為1.23～1.56 g/cm3，細粒土(﹤0.007 5 mm)含量和厚度分別＞10和＞3。由于地下水埋深偏淺，保持在0.0～2.0 m的水平，在渠底存在滲水、積水的問題，天然含水率保持為15%～29%，毛細提升高度則為1.7～2.6 m，水質(zhì)條件相對落后，針對砼硫酸鹽侵蝕性，渠道對應的土基滲水補給量保持較高的水平。

東干渠(樁號13+362.25--20+083)渠段渠基和渠坡主要置于apLQ粉質(zhì)壤土層中，渠坡頂部1.1～0.5 m的人工填土，下伏粉質(zhì)壤土，具水平層理，中密結(jié)構(gòu)，易融鹽小于0.5%，中等壓縮性中等透水性非鹽澤土，地下水埋深0.5～1.9 m,毛細上升高度為1.7～2.6 m，水質(zhì)較差，對混凝土具有鹽酸鹽侵蝕性。

渠道凍脹破壞程度與渠基土的凍脹量大小有關(guān)，細粒土粒徑＜0.075土粒重量超過土樣中，10%屬于粗粒土為凍脹性土，東干渠(樁號13+362.25--20+083 km)，北一支干渠(樁號：0+150—11+475 km)渠段均為凍脹土，加之地下水位較淺，水分補給充分，則必然產(chǎn)生較大凍脹量，當超過干砌石襯砌材料的允許法向位移時，就會產(chǎn)生凍脹破壞[4-5]。

6.2 觀測斷面溫度場分布情況分析

根據(jù)氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)，2020年11月8 日—2021 年4 月15 日，2021 年11月5日—2022年4月20日為凍結(jié)期。

2020年12月最高氣溫1 ℃，最低氣溫-24 ℃。2021年3月最高氣溫最低氣溫為20 ℃，最低氣溫為-9 ℃。如果溫度梯度保持較高的水平，凍結(jié)鋒面將及時朝下進行轉(zhuǎn)移，同時未凍部分遷移水流將會沿途處理，并且在凍結(jié)鋒面生成冰層，因為地下水位偏高，有充分的水分補給，隨著凍結(jié)鋒面停留時間的增加，冰層也會更厚，對應的凍脹量也會適當提升。

6.3 觀測斷面含水率測量情況分析

選取Ⅰ、Ⅱ兩個觀測對比斷面控制點，如圖3所示每個監(jiān)測斷面選擇7個監(jiān)測點對凍前和最大凍深含水率進行監(jiān)測，現(xiàn)地觀測2020年11月20日—2021年3月10日，2021年11月20日—2022年3月10日，觀測點各層土含水率分布圖。由圖4可見，觀測點在凍結(jié)深度范圍內(nèi)水分重分布現(xiàn)象明顯，斷面Ⅰ(地下水埋深為0 m)凍前各土層含水率為21.7%，最大凍深時各土層含水率30.22%，平均水分遷移量約達到8.52%。斷面Ⅱ(地下水埋深1.9 m)，凍前各土層含水率為18.3%，最大凍深時各土層含水率23.5%平均水分遷移量約達到5.2%。隨著地下水埋深的增加，水分遷移量變大。

圖3 含水率檢測示意圖

圖4 凍前和最大凍深含水率分布圖

6.4 觀測斷面位移觀測情況分析

觀測點對比方案凍融垂直位移量和水平位移量變化觀測結(jié)果如圖5所示。

圖5 對比方案凍融垂直位移量和水平位移量變化觀測結(jié)果

7 試驗結(jié)論

通過2020年11月20日—2021年5月，2021年11月20日—2022年4月對選定的2個干砌石觀測斷面溫度、含水率、位移情況的觀測數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論。

負溫、土質(zhì)、水分三者相互影響地表凍脹量的大小，從而決定了襯砌體位移的大小的變化。在土質(zhì)、溫度變化不大的情況下，地下水埋深是影響凍脹量變化的主要因素，地下水埋深淺，(A斷面地下水埋深1.9 m，B斷面地下水埋深0 m)凍脹量大，凍脹垂直位移和水平位移變化大，A斷面渠底凍脹位移最大月平均變化發(fā)生在1月，為13.8 cm，隨著渠道位置的上升，凍脹位移逐漸變小，渠頂最大凍脹位移為5.5 cm。最大水平位移發(fā)生在1月，隨著凍脹的發(fā)生，位移朝渠道中心線方向移動，隨著渠道位置上升，位移量逐漸變小。A斷面最大垂直位移為13.8 cm，水平位移為9.8 cm時，保持了渠道結(jié)構(gòu)完整，B斷面在垂直位移為18.8 cm，水平位移為15.3 cm時，渠道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損。由此可得出，干砌石襯砌體位移隨著凍脹量的變化而變化，凍脹量大位移值大，凍脹量小位移值小。當位移值超過2/3(干砌石襯砌厚度為30 cm)襯砌體厚度時，造成襯砌體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，出現(xiàn)襯砌體的滑塌破壞。

8 建議措施

8.1 回避凍脹法

在規(guī)劃設(shè)計過程中應避免劈開較高的凍脹量自然條件。在篩選渠線過程中，選取透水性能良好、地下水埋深較高、地形結(jié)構(gòu)偏高的區(qū)域；渠線有限選擇粉質(zhì)土、沼澤等地區(qū)，優(yōu)先考慮填方渠道。在考慮管道、渡槽時，可優(yōu)先選取墩基礎(chǔ)支撐架空等結(jié)構(gòu)，降低凍脹土接觸，避免凍脹影響[6-7]。

8.2 適應凍脹法

采用干砌石襯砌斷面形式，即通過選擇襯砌材料來適應凍脹變形。從實驗結(jié)果可以看出，當變形超過襯砌體厚度2/3時，就會引起襯砌大面積滑塌變形，因此可以考慮分段設(shè)計原則，在地下水埋深較淺渠段，增加襯砌體厚度。

8.3 置換凍脹土消減凍脹法

如果渠基存在最大凍脹量，在凍脹融化反復的影響下，將發(fā)生凍脹累計變形。通過使用適應、回避方案解決經(jīng)濟問題和技術(shù)問題，此時可應用凍脹基土消減凍脹法。從北一支干渠和東干渠斷面設(shè)計可以看出，原設(shè)計采用30 cm砂礫石墊層置換渠基凍脹土，在地下水埋深大于1.9 m渠段，基本滿足設(shè)計需求，但在地下水埋深小于1.9 m渠段則出現(xiàn)了較為嚴重的凍脹破壞。