甘州區(qū)盈科干渠工程凍脹破壞的原因及防治措施

鄭輝玲

（甘肅省張掖市甘州區(qū)水務(wù)局 734000）

1 工程概述

盈科干渠是盈科灌區(qū)唯一一條輸水干渠，從黑河草灘莊樞紐的東總干渠張家寨分水閘引水，長(zhǎng)25.2km，設(shè)計(jì)流量18m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積1.5萬(wàn)hm2。由于干渠地處西北嚴(yán)寒地區(qū)，最低氣溫-28.0℃，多年平均凍土層深度120cm，每年11月初封凍，次年3月底解凍，年凍結(jié)歷時(shí)166～188天，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，因干渠灌溉面積大，冬灌停水遲，受渠道滲漏和農(nóng)田回歸水影響，凍脹破壞嚴(yán)重，已不能正常運(yùn)行，被列入國(guó)家農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)水利骨干項(xiàng)目改建。

2 工程凍脹破壞現(xiàn)狀

根據(jù)工程設(shè)計(jì)地質(zhì)資料分析，干渠0+000～3+000段為松散砂卵礫石層結(jié)構(gòu)，表層土極薄，大都為礫質(zhì)土，兩岸農(nóng)田基本與渠頂平齊；3+000～11+000段，渠表面為砂壤土，厚度0.9～1.5m，下部為松散砂卵礫石層結(jié)構(gòu)，含礫質(zhì)土，極少膠結(jié)。該段內(nèi)有4座小型水電站，挖方深度大于5m，填方高度小于2m，且填方部分大部分為表層土，屬凍脹土；11+000～18+000段，表層為砂壤土，中間為粉細(xì)砂土，并夾有細(xì)砂層，厚度4～20m，下部為砂卵石層結(jié)構(gòu)，兩岸農(nóng)田高出渠岸1～2m，屬凍脹性較強(qiáng)地帶；18+000～25+200段，表層土壤為砂壤和礫質(zhì)土，透水性強(qiáng)，3m以下中間夾有粘土層和流砂層，厚度20～25m，以下為卵礫石層結(jié)構(gòu)，沿線干渠挖方深度較大，屬?gòu)?qiáng)凍脹破壞地段。

在改建中，經(jīng)過(guò)實(shí)地勘測(cè)渠道凍脹破壞情況，將其劃分為嚴(yán)重凍脹、一般凍脹、輕微凍脹和老化破損四級(jí)。

a.嚴(yán)重凍脹。砌石及混凝土板的勾縫全部脫落，渠坡鼓脹變形滑動(dòng)、坍落，渠底上凸，裂縫寬度25～50mm，渠底坍落成復(fù)式斷面，不能正常通水運(yùn)行。這類渠占全干渠的20.7%，長(zhǎng)5.3km，主要集中在干渠電站前后等地段。

b.一般凍脹。砌石及混凝土板的勾縫大部分脫落，部分渠坡鼓脹變形滑動(dòng)，渠底開(kāi)裂，裂縫寬度10～20mm，達(dá)不到設(shè)計(jì)引水能力，已起不到防滲作用。這類渠占全干渠的19.6%，長(zhǎng)5km，主要集中在干渠建筑物前后等地段。

c.輕微凍脹。砌石及混凝土板開(kāi)裂，勾縫部分脫落，渠坡及渠底變形較小，為5～10mm，裂縫寬度小于5mm，能正常引水和基本發(fā)揮防滲作用。這類渠占全干渠的46.2%，長(zhǎng)11.6km。

d.老化破損。渠坡渠底砌石勾縫基本脫落，裂縫較小，無(wú)變形，可正常引水但發(fā)揮不了防滲作用，類似于干砌石渠道。這類渠占全干渠的13.4%，長(zhǎng)3.3km。

3 干渠工程凍脹破壞原因

3.1 工程質(zhì)量控制不嚴(yán)

經(jīng)干渠現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)凡屬凍脹嚴(yán)重的地段均存在施工時(shí)施工質(zhì)量控制不嚴(yán)、標(biāo)準(zhǔn)不高的問(wèn)題。具體表現(xiàn)如下：

a.由于干渠早期建設(shè)時(shí)，《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》尚未頒布，原渠襯砌設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、混凝土強(qiáng)度保證率沒(méi)有考慮凍脹問(wèn)題，施工時(shí)混凝土的拌和、澆筑均為人工操作，振搗不密實(shí)，混凝土強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致砌體及預(yù)制塊勾縫砂漿老化，使砌體開(kāi)裂、脫落，降低了渠道防滲能力，加劇了渠道的凍脹破壞。

有些地方土方開(kāi)挖尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，墊層厚度小、含泥量高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，原渠道墊層石含泥量一般為9.2%～19.2%，最高26.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了不大于6%的臨界值，且墊層石厚度在0.2～0.3m之間，遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)范的要求。故在灌溉水入滲和渠水滲漏至墊層石后不能及時(shí)排走，導(dǎo)致墊層石飽和，在氣溫下降后產(chǎn)生凍脹破壞。

b.有些地方土方開(kāi)挖尺寸雖然達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但回填的不是墊層石而是土，沒(méi)有達(dá)到防凍脹的要求。

c.細(xì)?；炷疗鍪?，灌漿不密實(shí)，不飽滿，出現(xiàn)滲漏通道，使渠道發(fā)生凍脹。

d.干渠0+000～0+700段渠底凍脹嚴(yán)重，原因?yàn)槎就粨羰┕?，墊層、砌石均存在質(zhì)量不合格問(wèn)題。

3.2 灌水方式缺乏科學(xué)性

一方面干渠每年從3月中旬開(kāi)閘放水，直到11月中旬才停水，長(zhǎng)時(shí)間輸水使砌體及周圍處于飽和狀態(tài)，從而創(chuàng)造了凍脹產(chǎn)生的條件；另一方面，由于黑河干流無(wú)調(diào)蓄工程，河流來(lái)水時(shí)空分布極不均勻，不能保證農(nóng)田適時(shí)適量灌溉，因而灌區(qū)不得不采取春季早開(kāi)閘、冬季晚閉口的灌水方式，使?jié)B入砌體及其下部土地體中的滲水還沒(méi)排出就產(chǎn)生冰凍，加快了渠道的凍脹破壞，降低了使用壽命。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造較差

干渠地處西北嚴(yán)寒地區(qū)，最冷月平均氣溫為-10.3～11.5℃，極端最低氣溫為-28.0℃，多年最大凍土層深度120cm，年凍結(jié)歷時(shí)166～188天，嚴(yán)寒的氣候使所有裸露的物體經(jīng)受無(wú)數(shù)次考驗(yàn)，干渠更是首當(dāng)其沖。地質(zhì)勘查表明：干渠渠基床物質(zhì)除0+000～3+000段為松散砂礫石層結(jié)構(gòu)外，其余22.2km長(zhǎng)渠段全部落在砂、粉質(zhì)砂、粉質(zhì)粘土和粉細(xì)砂地層上，按《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》要求劃分，全部為凍脹性土層。

3.4 管理運(yùn)行不善

a.電站為增加發(fā)電量，不考慮渠道實(shí)際流量，只顧加大前池引水流量，使干渠負(fù)荷增大，超量引水，溢出渠道的水停留在原地?zé)o法滲向別處，產(chǎn)生凍脹。

b.管理單位對(duì)干渠冬季維修不及時(shí)，使凍脹破壞段得不到及時(shí)整治，凍脹隆起的土體不能恢復(fù)原來(lái)的位置，年復(fù)一年使凍土體積比原來(lái)增大數(shù)倍，導(dǎo)致渠道凍脹破壞。

3.5 灌溉回歸水不能及時(shí)排出

因干渠渠床中地層巖性顆粒細(xì)小，砂壤土、輕壤土、粉質(zhì)壤土滲透系數(shù)小，僅為0.1～0.2m/天，故干渠南岸耕地回歸水不能及時(shí)下滲至粗顆粒地層或排走，在氣溫下降后就會(huì)發(fā)生凍脹破壞，表現(xiàn)最為顯著的是干渠陰坡。

4 防治凍脹措施

4.1 采用C15現(xiàn)澆混凝土防滲措施

干渠防滲材料選用現(xiàn)澆混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C15，抗凍脹等級(jí)為F100，抗?jié)B等級(jí)為W4。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室拌和混凝土試塊抗壓試驗(yàn)，選用和易性好、塌落度為0.55cm的二級(jí)配最佳配合比作為施工混凝土配合比，每立方米混凝土中：水泥用量 246kg，5～20mm 石 550kg，20～40mm 石1125kg，砂 654kg（砂率 28%），水 135kg；水泥采用普通硅酸鹽水泥。防滲層采用等厚板，渠底厚0.15m，渠坡厚0.12m，封頂厚0.10m。該方案的優(yōu)點(diǎn)是防滲效果好，抗沖性能好，造價(jià)低，使用年限30～50年，施工工序簡(jiǎn)單，施工方法易掌握。

4.2 采用渠基砂礫墊層料換填措施

根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》，在強(qiáng)烈凍脹地區(qū)，當(dāng)渠邊最大設(shè)計(jì)凍脹量大于允許凍脹量的2倍時(shí)，可采用“渠基換填措施”的規(guī)定，經(jīng)計(jì)算工程凍脹量為9.87cm，超過(guò)混凝土砌體的允許凍脹量指標(biāo)，采用砂礫墊層料換填措施，換填厚度：陽(yáng)坡50cm，渠底80cm，陰坡115cm。換填的砂礫墊層料選用質(zhì)地堅(jiān)硬、新鮮，沒(méi)有風(fēng)化剝落的天然砂礫石，粒徑范圍為5～60mm，粒徑小于0.1mm的顆粒含量不得大于10%，砂礫墊層料分層加夯壓實(shí)，壓實(shí)后干容量不小于1.75t/m3。

4.3 采用渠基排水滲水盲井措施

為將干渠南岸農(nóng)田回歸水下滲至粗顆粒地層排走，在干渠設(shè)計(jì)中，每隔50m設(shè)一渠基地下排水滲水盲井，以利渠坡及渠底滲透水的下滲排泄,使砂礫墊層石中的農(nóng)田回歸水及時(shí)排走，滲水盲井長(zhǎng)1.0m、寬1.8～2.0m（同渠底寬）、深1.8～2.0m（或挖至砂礫石層），井內(nèi)回填材料為砂礫墊層石，質(zhì)量要求同渠道墊層石。

4.4 采取設(shè)置凍脹變形伸縮縫措施

為適應(yīng)渠道凍脹變形，現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道，沿水流方向每4m長(zhǎng)設(shè)一橫向伸縮縫，縫形為矩形，縫寬2cm，厚度與襯砌混凝土厚度相同，縫內(nèi)迎水面填筑3cm厚的聚氯乙烯膠泥，背水面填筑三氈四油。

4.5 選用適應(yīng)渠道凍脹變形結(jié)構(gòu)斷面措施

經(jīng)方案比選，選用適應(yīng)變形能力較強(qiáng)的弧形渠底梯形和矩形反拱斷面型式，采用全斷面整體現(xiàn)澆襯砌。這種斷面抗沖能力與渠水流速相適應(yīng)，凍脹變形后，消融時(shí)靠自身可以還原，弧形渠底梯形斷面渠道設(shè)計(jì)流量18m3/s，設(shè)計(jì)縱坡 1/1000，邊坡系數(shù) 1∶1.5，圓弧半徑 1.12～1.64m，渠口寬5.89～7.10m，渠深1.72～2.05m；在干渠嚴(yán)重凍脹地段，如 18+000～18+260 段、13+700～17+900 段、14+950～15+150段，采用矩形反拱斷面型式，渠口寬3m，渠深1.9～2.0m。

4.6 采用老渠上套建新渠、抬高渠底高程措施

改建工程是在原渠上進(jìn)行襯砌防滲，建設(shè)中對(duì)嚴(yán)重凍脹地段采用拆除、置換等措施，而對(duì)輕微凍脹、一般凍脹段采取在老渠上套建新渠、抬高渠底高程的措施，渠底平均抬高為18～20cm，符合規(guī)范要求。

4.7 加強(qiáng)工程施工質(zhì)量管理

在工程建設(shè)中，建設(shè)單位嚴(yán)格執(zhí)行《建設(shè)工程質(zhì)量管理?xiàng)l例》和《水利工程建設(shè)管理規(guī)定》，全面落實(shí)“項(xiàng)目法人責(zé)任制、招標(biāo)投標(biāo)制、建設(shè)監(jiān)理制、合同管理制”四項(xiàng)制度，建立健全“項(xiàng)目法人負(fù)責(zé)、監(jiān)理單位控制、施工單位保證、政府部門監(jiān)督”的質(zhì)量保證體系，加強(qiáng)工程建設(shè)管理和工程質(zhì)量管理，干渠改建項(xiàng)目竣工驗(yàn)收時(shí)被水利部評(píng)為優(yōu)質(zhì)工程。

5 結(jié)論

從盈科干渠近幾年的運(yùn)行狀況看，干渠改建中，采取的C15現(xiàn)澆混凝土防滲、渠基砂礫墊層料換填、建渠基排水滲水盲井、設(shè)置凍脹變形伸縮縫、建適應(yīng)凍脹變形斷面的結(jié)構(gòu)、老渠上套建新渠、加強(qiáng)工程施工質(zhì)量管理等防凍脹綜合措施切實(shí)可行，解決了盈科干渠抗凍脹技術(shù)難題，將渠道的凍脹破壞降低在了最低限度，保證了盈科干渠的正常運(yùn)行，發(fā)揮了干渠工程的輸水灌溉效益。