防滲渠道抗凍脹措施探析

韓良凱

(丹東市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118000)

鐵甲灌區(qū)位于東港市濱海平原地區(qū)，北靠群山，南沿鴨綠江濱黃海，東起柳林河與市郊區(qū)分界，西止龍態(tài)河。全灌區(qū)呈長方形，南北寬約7km，東西長約40km，地形東北高、西南低。總灌溉面積2.45萬hm2，實(shí)際灌溉面積2.23萬hm2。是東港市主要水稻產(chǎn)區(qū)。鐵甲總干全長35.54km，4條分干全長23.8km。聯(lián)結(jié)1座中型和6座小型水庫，5座提水站；支渠89條全長137.6km，聯(lián)結(jié)中小型提水站40座?，F(xiàn)有各級渠道均為土渠梯形斷面，土質(zhì)南部多為黏土，中北部為砂土或沙壤土。

鐵甲灌區(qū)屬于溫帶，冬季月平均溫度零下10°-15°左右，在低溫影響下，防滲渠道會受到凍脹破壞。防滲渠道凍脹破壞會影響工程項(xiàng)目的正常運(yùn)行，降低渠系水利用系數(shù)，影響渠道防滲效果，同時(shí)也會提高工程運(yùn)行管理及維修的費(fèi)用，造成水資源的浪費(fèi)，使本地區(qū)糧食產(chǎn)量和群眾財(cái)產(chǎn)遭受損失[1]。

1 渠道凍脹破壞的原因

防滲渠道的抗凍防治，是渠道襯砌工程常遇到的難題。應(yīng)以工程所在地區(qū)實(shí)際情況為基準(zhǔn)，采取相應(yīng)的防治措施，減輕或避免凍脹破壞，提高渠道的運(yùn)行效率，延長其使用壽命，節(jié)約運(yùn)行管理費(fèi)用，推動我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)。本次以東港鐵甲灌區(qū)為例，對襯砌渠道凍脹破壞的原因，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.1 氣候特征

東港市屬北溫帶濕潤地區(qū)大陸性季風(fēng)氣候。受黃海影響，具有海洋性氣候特點(diǎn)。冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，四季分明，雨熱同季。正常年景年平均氣溫8.4°，無霜期182d，結(jié)凍期147d，降雨量888mm，日照時(shí)數(shù)2484.3h。東港是一個(gè)水資源比較豐富的地區(qū)，年平均降水900-1000mm，鴨綠江和大洋河兩大水系干流穿過市境，客水平均年約320多億m3，其它主要河流源出境內(nèi)北部山區(qū)，為季節(jié)性直接入海河流。東港市水資源主要由3部分組成：①區(qū)域地表水資源即東港市版圖面積產(chǎn)生的地表徑流；②區(qū)域地下水資源；③過境客水資源。形成了渠道基土產(chǎn)生凍脹的氣候條件[2]。

1.2 土質(zhì)特點(diǎn)

區(qū)域內(nèi)出露地層有混合巖、混合花崗巖和花崗巖，元古界遼河群的黑云斜長片麻巖類。本項(xiàng)目區(qū)為沿海平原地區(qū)，土質(zhì)為海相沉積灰黑色的淤泥和粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土層以下為粉細(xì)砂。

根據(jù)勘察資料，工程所在地以細(xì)顆粒的粉質(zhì)黏土為主，滲透系數(shù)為10-4cm/s量級。粉質(zhì)黏土(粒徑<0.075mm)含量占總重量的50%以上；凍結(jié)前地下水埋深在0.5-1.0m左右，根據(jù)黏土凍深與凍脹量關(guān)系曲線表可知，地表凍脹量為5-12cm。灌區(qū)地基土凍脹級別達(dá)到Ⅲ級，屬于凍脹性土質(zhì)。

1.3 地下水特點(diǎn)

區(qū)域內(nèi)地表水很豐富，有天然河道、灌溉所挖的溝渠以及一些小型水庫，其中比較大的有鐵甲灌區(qū)總干、鐵甲灌區(qū)支渠及七股頂水庫等。

地下水主要為存在于松散巖類、砂卵石中的孔隙水以及低山丘陵區(qū)的基巖裂隙水。灌區(qū)地下水埋深在0.5m-1m左右，灌區(qū)內(nèi)黏性土土壤含水率較高，根據(jù)試驗(yàn)得出，在地下水埋深在0.5m以下時(shí)，土壤含水率為23%左右， 該數(shù)值大于土壤起始凍脹含水率12.7%。由于地下水位較高，土體凍結(jié)鋒面在地下水的補(bǔ)給下，形成的冰晶體量越來越大。為土壤產(chǎn)生凍脹破壞提供了水分條件。

1.4 渠道設(shè)計(jì)缺陷。

襯砌渠道混凝土底板沒有設(shè)置貫通縱縫，在水平凍脹力作用下，致使兩側(cè)邊坡向渠道底板擠壓，底板中間有向上的壓力產(chǎn)生，從而造成混凝土底板在凍脹力作用下斷裂或者產(chǎn)生裂縫。渠道在新建或改造時(shí)，受到現(xiàn)場地形或占地的影響，襯砌渠道基礎(chǔ)過低。灌區(qū)地下水位較高，渠底有充足的水分，在冬季氣溫降至負(fù)溫時(shí)，襯砌渠道混凝土底板將發(fā)生凍脹破壞。

1.5 渠道施工缺陷。

1)渠道的壓實(shí)度不夠。由于部分渠道壓實(shí)度不滿足設(shè)計(jì)要求，土體的壓實(shí)度較低，地下水位可以通過孔隙上升，增大渠道粉質(zhì)黏土含水量，冬季地下水在溫度降到零下后凍結(jié)成冰。渠道基床粉質(zhì)黏土整體膨脹，產(chǎn)生較大的凍脹力，破壞混凝土襯砌渠道。

2)土工膜拼接處黏結(jié)不牢或出現(xiàn)裂縫?，F(xiàn)有施工中，為了加快施工進(jìn)度，土工膜拼接通常采用膠黏法，土工膜連接很少采用熱烙焊法。同時(shí)在土工膜施工過程中，土工膜容易被樹根、塊石等刺破或者損壞，造成滲漏通道。對襯砌渠道產(chǎn)生凍脹破壞。

3)砂墊層中粉土、黏土含量較高。通常在黏土、粉土渠床中，襯砌渠道混凝土板下設(shè)置砂墊層進(jìn)行換填。由于砂墊層中混入粉土、黏土含量較高，當(dāng)?shù)叵滤惠^高，砂墊層在低溫飽和凍結(jié)時(shí)，將會對混凝土底板產(chǎn)生凍脹破壞。

2 渠道襯砌工程凍脹防治措施

2.1 改變渠線

在規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)對渠道岸線選擇進(jìn)行合理布置，在渠道選線時(shí)，要結(jié)合地質(zhì)條件，盡量選在粗粒土層，地下水位低的地段；同時(shí)要對低洼地段，地下水位高的地段進(jìn)行填方，形成填方渠道，抬高渠底高程，降低地下水位。

2.2 采取結(jié)構(gòu)抗凍措施

通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高抗凍性，當(dāng)前應(yīng)用較多的形式有U形、矩形或梯形斷面。U形襯砌渠道斷面形式：底部呈弧形或半圓形、槽身采用向外側(cè)傾斜一定角度的直線段，U形渠道與梯形斷面相比，具有防滲效果好，流速快，渠道挾水挾沙能力強(qiáng)，淤積少。由于U形渠底為反拱型，對凍脹作用有較強(qiáng)的抵抗力，減少裂縫及凍脹后的不均勻沉降。U形防滲渠道具有良好的防滲性，抗凍性，占地面積小，挖填方土方量少，施工速度快，工作效率高。

2.3 采用保溫措施抗凍脹

對渠道兩側(cè)邊坡及渠底混凝土板下設(shè)置聚苯乙烯泡沫塑料板。聚苯乙烯泡沫塑料板作為襯砌渠道保溫材料，它具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，不易被地基土降解；吸水性、導(dǎo)熱系數(shù)及滲透系數(shù)小、結(jié)構(gòu)均勻、密度小、壓縮強(qiáng)度大、施工、運(yùn)輸方便。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合土質(zhì)、地下水埋深、渠道走向、設(shè)計(jì)凍深、荷載等來確定保溫材料主要技術(shù)指標(biāo)，并結(jié)合灌區(qū)已有的抗凍脹試驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)確定其鋪設(shè)的厚度等尺寸。從近幾年工程設(shè)計(jì)中可知，大的干渠一般在渠坡陰坡約1/2坡長以下采用8-10cm厚聚苯乙烯保溫板、1/2坡長以上6-8cm；陽坡約1/2坡長以下6-8cm、1/2坡長以上4-6cm；齒墻兩側(cè)保溫板厚度均與坡面下部相同，封頂板下與坡面上部相同。根據(jù)已實(shí)施的鐵甲5支渠道襯砌工程可知，采用鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板作為防凍脹措施?？梢詽M足襯砌渠道的抗凍要求。而未采取保溫措施處理的襯砌渠道發(fā)生了很大的凍脹變形，而且在渠道基土消融后，不能完全復(fù)位，甚至存在較大的殘余變形。經(jīng)過幾個(gè)凍融周期，凍脹和融沉交替，均會產(chǎn)生不同程度的塌陷、滑坡現(xiàn)象。保溫用聚苯乙烯泡沫塑料板物理機(jī)械性能表，見表1。

表1 保溫用聚苯乙烯泡沫塑料板物理機(jī)械性能表

3 結(jié) 語

由于渠道凍脹破壞條件及影響因素較多，為了能夠減小或避免凍脹破壞的產(chǎn)生，需要充分了解該地區(qū)基本情況，真正實(shí)現(xiàn)在提高渠道防滲能力的同時(shí)，采取的抗凍措施真實(shí)可行。通過智慧水利在灌區(qū)項(xiàng)目上的應(yīng)用，增強(qiáng)渠道工程管理和維護(hù)，逐步完善運(yùn)行管理制度，提高渠道抗凍能力，延長其使用年限，提高灌溉水利用率，為農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力提供可靠的技術(shù)支撐。促進(jìn)灌區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善，保障灌區(qū)工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。