大堵麻灌区续建配套与节水改造中的防冻胀措施

    摘要：冻胀是渠道工程破坏的主要因素，同时渠道抗冻胀处理也是本次节水改造项目建设中的重点和难点。在项目建设过程中通过应用隔热保温、置换砂石料、设置排水暗沟、优化渠道纵横断面设计等技术措施有效防止了渠道冻胀破坏。
　　关键词：大堵麻灌区；续建配套；节水改造；冻胀破坏
　　
　　1项目概况
　　
　　1.1地理位置
　　大堵麻灌区位于河西走廊中部的民乐县境内西部。灌区南靠祁连山北麓，东依洪水河灌区，北与甘州区相邻，地势由东南向西北倾斜，南北长42km，东西宽36km，土地总面积1 251km2，农业灌溉区海拔2 000～2 600m。县城紧邻227国道，距张掖市65km，对外交通较为便利。
　　1.2气象
　　灌区属典型大陆性温带荒漠干旱气候，太阳辐射强，日照充足，夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差大，降水稀少，蒸发强烈，光热资源丰富，适宜种植多种农作物。多年平均气温3.80 ℃，极端最高气温32 ℃，极端最低气温-24.40 ℃，年日照时数2 997h，多年平均风速4.50m/s，最大风速28m/s，多年平均降水量339.80 mm，多年平均蒸发量1 709.60mm，多年平均最大冻土深1.62m，全年无霜期144d。
　　1.3水文地质
　　灌区位于河西走廊张掖盆地南部地带，地下水主要贮存于厚达600m左右的第四系松散岩类（砂卵砾石层）孔隙内，地下水埋深150～200m，开采相对困难，地下水富水性较强，单井涌水量1 000～3 000m3/d，水质优良，属Ⅰ类水；允许开采量660.36万立方米/年，目前开采量仅24万立方米/年，开采潜力较大，但开采困难，提水成本高，不宜大规模发展井灌。
　　1.4工程地质
　　本次改造工程主要分布在浅山地区，干渠垂直于等高线南北布置，坐落在各河流主河床或左右岸一级阶梯上，为砂砾石层或砂壤土层基础，地质条件较好，有轻微的冻胀破坏，但是渠道自然落差大，部分渠段水流冲刷破坏严重。支渠均平行于等高线东西布置，分布在山前冲洪积扇上，表层为0.50～2.50m厚砂壤土或重壤土，属于弱冻胀-强冻胀性土，土层下面均伏巨厚砂砾石层，属于非冻胀性土，支渠基本建在砂壤土或重壤土层上，均有不同程度的冻胀破坏。该区域地下水埋深大，对渠道不产生负面影响，但是河流地表水和农田灌溉回归水对渠道冻胀破坏有很大影响，应根据不同渠段、不同土质类型和厚度区别进行处理。
　　
　　2渠道冻胀破坏机理分析
　　
　　通过对已建工程观察，渠道的损害形式主要以冻融破坏为主。
　　一是现有渠道衬砌材料均具有一定的吸水性，渠道工程又经常处于输水运行状态，致使渠道砌体和堤岸基土中含有大量的水分，这些水分在负温条件下冻结成固状物体，体积发生膨胀，膨胀量约为水体的1.10倍，并与基土一起膨胀，膨胀的基土受到渠道刚性衬砌体的约束，即对衬砌体产生冻胀力，当这种冻胀应力超过衬砌材料抗力时，渠体就会产生裂缝增加吸水性和渗漏量，致使砌体在第二个负温周期中结冰冻胀加剧破坏，经过冻结、融化和冻胀应力的反复作用，最终使渠道防渗体遭到冻融破坏；
　　二是土体在冻结过程中不仅是初始冻结面的水分冻结膨胀，而且未冻区的水分在表面张力和毛细管作用下向冻结区迁移，水分的迁移使冻结区的含水量剧增，导致冻胀加剧。随着冬季气温的不断下降，基土的冻结深度不断加大，水分迁移不断进行，基土的膨胀量与衬砌体产生的冻胀力也在不断增大，当冻胀力超过渠道衬砌体的结构强度时，衬砌体便产生法向位移，法向位移超过允许位移时衬砌体便遭到冻胀破坏。
　　
　　3渠道防冻胀措施的选择
　　
　　渠道冻胀破坏是衬砌体与基土冻胀膨胀相互作用的结果，根据各级渠道所处区域气候、地质、地下水埋深、日照时间及渠道级别等自然条件，本次改造项目干渠主要以套砌为主，防冻胀主要采取隔热保温措施，支渠以新建或拆除重建为主，防冻胀主要采取置换垫层，设置排水暗沟，优化结构等多种综合措施进行处理。
　　3.1隔热保温
　　负温是渠道产生冻胀破坏的主要因素，在渠道衬砌体下面铺设一层受力变形小，隔热性能优良的保温材料，即可消除渠床基土在冬季的冻胀变形，有效的避免渠道冻胀破坏。

　　隔热保温措施在渠道抗冻胀设计中应用较少，随着价格低廉、隔热性能良好的各种保温材料问世，这种抗冻胀措施越来越凸显出它的优越性。近几年在节水改造项目的干渠改建中借鉴张掖市黑河流域节水工程建设施工经验，成功应用聚苯乙烯保温板抗冻胀措施，效果十分明显。
　　聚苯乙烯保温板具有较好的隔热性能，其导热系数≤0.04w/(m·℃)，在大堵麻东干渠改建中，在渠道岸顶和渠坡、渠底衬砌材料下面均铺设一层密度为25km/m3、厚度为12cm的聚苯乙烯保温板，有效地防止渠床基土冬季温度降低，避免和减轻渠床基土冻胀变形，从而有效防止渠道冻胀破坏。
　　聚苯乙烯保温板具有以下优点：一是聚苯乙烯保温板实行工厂化生产，能够保证工程质量和建设需要；二是埋在地下不受污染，不易变质，同时适用于任何地质条件下的渠道；三是与垫层置换法相比，隔热保温法具有施工方便、适用范围广，工程使用寿命长；四是与垫层置换法相比，隔热保温法具有工程量小，尤其在缺乏砂石料的地区应用具有明显的经济优势。
　　3.2置换砂砾石
　　土质是渠道基土发生冻胀的主导因素，用非冻胀性砂砾石料将一定厚度的冻胀性基土置换，可将渠道砌体的冻胀变形控制在允许范围内，从而有效避免渠道的冻胀破坏。
　　基土置换厚度的确定是置换砂石料措施成功与否的关键，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-91），设计冻深Hd按公式：Hd=KpKdKzK0计算。
　　式中：Kp-频率模比系数；
　　Kd-日照及遮荫系数；
　　Kz-地下水影响系数，取值1；
　　H0-标准冻深（灌区最大冻土深度1.80m，标准冻土深度可直接选用改建工程所在地的多年平均冻土深度1.40m）。
　　置换冻土深度Zn按公式：Zn=εHd-δ0计算。
　　式中：ε-置换比（%），取值为50%；
　　δ0-衬砌板的厚度。
　　置换砂砾石防冻胀措施主要用于本次节水改造项目的支渠改建中，根据支渠走向（东西走向）、纵横断面设计方案、渠床地质、冻深计算，最终确定支渠冻土置换深度为：阳坡60cm、阴坡90cm、渠底120cm。同时要求置换的砂石料具有良好的级配，且含泥量不得大于5%；换填时应分层夯实，夯实的干容重不得小于1.60t/m3。
　　3.3渠道渗漏水和灌溉回归水的处理
　　渠道渗漏水和灌溉回归水是渠道基土含水率高造成冻胀破坏的主要因素，在支渠改建中，结合置换砂砾石防冻胀措施并采取排水暗沟、集水深井、加大渠底置换深度等多种复合措施，有效地解决了渗漏和回归水对渠道冻胀破坏的问题。排水暗沟设置是在渠基较高地段按每100m沿渠道中心线横截面挖宽度为0.80m，深度挖至非冻胀土层下0.50m处，在挖好排水沟内分层回填反滤料，利用高差将积水排除到渠堤外。集水井设置是在渠基较低，无法采用排水暗沟排除积水而采取的另一种行之有效的方法，就是沿渠道中心线每50m挖宽度1m，长度2.50m，深度挖至非冻胀土层下1.20m处，在挖好集水井内分层回填反滤料，将渠道基土中的积水通过集水井和非冻胀性的砂砾石层渗入地下，要求渠道底部开挖严格按设计高程进行开挖，底坡平顺，夯筑密实。对渠道基土在1.20～2.50m的地段采用加大渠底置换深度至非冻胀性土层下0.20m，通过地下砂砾石层渗流排除渠道积水。
　　3.4优化断面设计
　　本次续建配套与节水改造中，干渠底宽大于1.20m的渠道采用弧梯角形断面，小于1.20m的渠段采用弧梯形断面，支渠均采用弧梯形断面，田间配套斗、农、毛三级渠道均采用U形断面形式，与梯形、巨形断面相比，弧梯角形、弧梯形断面均具有较大的允许法向位移，采用上述几种断面形式都能够有效地防止渠道的冻胀破坏。