□趙 力(新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程建設管理局)

□王 恒（新疆生產(chǎn)建設兵團勘測規(guī)劃設計研究院）

□邢建營(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司）

中央近幾年對農(nóng)業(yè)問題尤其是農(nóng)業(yè)水利工程非常重視，投資力度在加大，政策傾斜度高，促進了西北地區(qū)水利基礎設施的建設步伐。農(nóng)業(yè)水利工程基礎建設中很大一部分為渠道工程。在西北尤其新疆地區(qū)，渠道凍脹破壞問題尤其嚴重，直接影響了渠道防滲效果和使用壽命，導致渠道停水返修，無法保證作物灌溉，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受損失。因此如何解決凍脹破壞問題成為渠道設計和施工的關鍵問題。西北地區(qū)尤其是新疆地區(qū)渠道產(chǎn)生凍脹破壞的原因從設計角度出發(fā)進行分析，提出了抗凍脹的應對措施。

1.渠道發(fā)生凍脹破壞的原因

從作者多年實際工作經(jīng)驗看，發(fā)生凍脹破壞的原因很多。經(jīng)過分析總結(jié)后，主要有以下幾個因素：土的性質(zhì)、環(huán)境溫度、土壤含水量、土的壓實性。凍脹破壞不是以上其中某一個因素的單一作用，而是4個因素綜合作用。

1.1 土的性質(zhì)

以新疆地區(qū)為例，南疆北疆土質(zhì)差異較大，但都屬于海洋性沉淀物質(zhì)。在灌區(qū)內(nèi)，渠道沿線所經(jīng)之處以粘土、粉質(zhì)粘土、夾沙粉土和大顆粒的砂礫石基礎為主。目前對土的凍脹性質(zhì)研究已有定論，即土的顆粒越小凍脹性越強。粒徑為0.075～0.1mm的土，會發(fā)生凍脹，但并不強烈；粒徑0.075～0.002mm的土，凍脹性最強。從微觀角度看，土的顆粒越小，其毛細作用明顯，更容易吸收空氣中的水分，因此凍脹性也增強。以上提到的土，凍脹性從高到低依次為：粘土＞粉沙質(zhì)粘土＞夾沙粉土，砂礫石沒有凍脹性。

1.2 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度是凍脹發(fā)生的必要條件之一。西北地區(qū)尤其新疆冬季氣溫較低，最低溫度達到-40℃。各地氣溫有所不同，凍脹發(fā)生的破壞程度不同。渠道走向也會影響凍脹的破壞能力。根據(jù)觀察，東西走向的渠道，由于渠道兩側(cè)邊坡接受太陽光照射的時長不同，陰面的一側(cè)凍脹嚴重，陽面的一側(cè)次之。在新疆天山以北，冬季最低溫度發(fā)生在12-1月，土壤最大凍深可達1.6m，此時由于冰雪覆蓋，渠道已經(jīng)凍脹，但從外表不易察看。根據(jù)工程運行看，南北疆的渠道雖地理位置不同，但是均有凍脹現(xiàn)象發(fā)生，以北疆渠道凍脹破壞最為嚴重，可見氣溫寒冷程度，將直接影響凍結(jié)深度。

1.3 土壤含水量

土壤含水量是產(chǎn)生凍脹的必要條件之一。土體中水分子由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，造成土體積增大，進而形成凍脹。影響土壤含水量的因素主要有：土壤自身含水量、渠道外來水補充。粘性土持水量較大，砂礫石土持水量小，因此在設計中應當重視渠線的地質(zhì)資料，根據(jù)不同土質(zhì)提出不同設計方案。渠道滲漏會引起土壤含水量增大，因此要重視渠道施工質(zhì)量要求，精益求精。

1.4 壓實度

渠道土壓實密度越大，渠道發(fā)生凍脹的機率會變小，相反，土的壓實密度不足，渠道土松散，會給凍脹留下很大隱患。因此，對施工單位和監(jiān)理單位提出要求，施工過程中要重視渠道土的壓實度檢測。梯形渠道底部壓實相對容易，但是邊坡不易施工。施工單位應選擇合適的機械和施工方法，壓實指標可以達到設計要求。

除了以上主要4個影響因素外，凍脹還與渠道運行管理有一定關系。渠道建成后，由于管理不善，渠道混凝土破壞不及時修補，加之入冬前輸水，水不可避免從縫隙中滲入渠床中，造成局部土壤水分飽和，造成凍脹破壞。另外渠道停水后有余水留存在渠道中不能及時排走，最終一部分蒸發(fā)到空氣中，一部分滲入土中，為渠道凍脹留下隱患。

2.凍脹破壞的形式

根據(jù)作者多年對渠道凍脹破壞的觀察，可以將凍脹破壞的形式分為3類。

2.1 渠道伸縮縫破壞

目前渠道襯砌絕大部分采用混凝土板?；炷涟蹇p是渠道中最關鍵也是最薄弱的部位。分縫處由于混凝土凝固收縮后，造成縫間開裂，為水進入渠床內(nèi)部留下通道。填縫材料可以起到填充縫間隙和止水的作用，但材料選擇不當，不能適應縫間的擴張和收縮，不利于渠道長久運行。

2.2 混凝土板裂縫

混凝土板裂縫有多種原因，一是凍脹鼓裂造成；二是渠床壓實度不足，運行后渠床沉陷造成。渠道混凝土板裂縫對渠道破壞極其嚴重，維修難度也很大，根據(jù)統(tǒng)計，混凝土板發(fā)生縱向裂縫（順水流方向）的占絕大多數(shù)，發(fā)生橫向裂縫的不多見。

2.3 邊坡滑塌

渠線選擇不當，對地質(zhì)情況判斷不準確，容易造成渠床塌陷。另外渠道壓實不夠，也會引起邊坡滑塌。

3.渠道設計防止凍脹發(fā)生的措施

針對以上提到幾個產(chǎn)生凍脹的因素，設計人員主要從以下幾個方面出發(fā)，在設計層面解決渠道凍脹問題。

3.1 渠道開挖處理

3.1.1 砂礫石換填法：其基本設計理念是用不具有凍脹性的土將渠床有凍脹性土的一部分置換。在西北地區(qū)，包括新疆、甘肅、陜北地區(qū)，當?shù)厣暗[石戈壁料和粉細砂豐富，該種土料非常適合作為換填土料。通過對新疆地區(qū)渠道的調(diào)查顯示，采用換填法施工的渠道達到95%。對于設計者來說，最重要的是確定置換厚度的確定。目前最常使用的規(guī)范是《渠系工程抗凍脹設計規(guī)范》（SL23-2006）。根據(jù)規(guī)范計算結(jié)果表明，新疆北部地區(qū)一般置換厚度在0.6～1.2m之間甚至更大，新疆南部地區(qū)置換厚度在0.3～0.8m之間。此時需要根據(jù)工程規(guī)模和投資情況對換填厚度調(diào)整。渠道規(guī)模大，建筑物級別高，按照計算厚度選取。如果是小型渠道，輸水流量小，往往投資額度有限，此時換填厚度可以減少。換填的砂礫石料和粉細砂含泥量不宜超過3%～5%。

3.1.2 渠床壓實法：從理論上分析，壓實的目的主要是使土的干密度增加，空隙率減小，同時滲水性降低。針對不同土質(zhì)設計者應提出合適的指標，規(guī)范規(guī)定，粘性土按壓實度控制，砂礫石或者粉細砂按相對密度控制。渠道必須經(jīng)過壓實后才可以進行下一步施工工序。

3.2 防滲排水

防止渠道滲漏和地面徑流入滲，降低地下水位，是防止渠道凍脹的根本措施。目前防滲措施主要是鋪設土工膜，效果很好，比如瑪納斯河一級水電站長約8km的引水渠，全段采用一布一膜防滲，自2006年投入運行以來，沒有發(fā)生凍脹破壞。

3.3 隔熱保溫

所謂隔熱保溫，其實就是將渠床土和外界溫度阻斷，從而達到防凍脹的目的。在新疆地區(qū)，目前主要采用聚乙烯泡沫板來作為保溫材料。該種方法施工速度快，但對保溫板施工要求較高，保溫板縫之間應結(jié)合緊密，不留空隙，真正形成阻斷作用。但是苯板厚度超過一定厚度時，經(jīng)濟性上優(yōu)勢不如砂礫石換填法，應做方案比選后確定。

3.4 渠道橫斷面結(jié)構(gòu)

目前渠道橫斷面結(jié)構(gòu)形式主要有：混凝土結(jié)構(gòu)，漿砌石結(jié)構(gòu)，干砌石結(jié)構(gòu)，原狀土結(jié)構(gòu)。根據(jù)西北地區(qū)近幾年設計經(jīng)驗，結(jié)合實際運行效果，目前主要采用以下兩種橫斷面結(jié)構(gòu)。

3.4.1 弧型渠底結(jié)構(gòu)：由于渠道凍脹時產(chǎn)生向上的頂托力，弧形渠底受力時產(chǎn)生“拱”效應，可以最大限度承受凍脹力。目前這種渠道橫斷面形式已經(jīng)列入相關規(guī)范中，在有凍脹性的地區(qū)應優(yōu)先選用。設計中對小型渠道（Q≤1.5m3/s）可以采用“U”形渠，對大中型渠道則選用弧形渠底+梯形邊坡形式。施工時弧形渠底采用現(xiàn)澆混凝土。

3.4.2 干砌石結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)形式簡單，投資較低，但是不能起到防滲作用，不適合水資源緊張的地區(qū)。干砌石結(jié)構(gòu)可以起到防護護坡沖刷，由于自身的松散性，可以適應凍脹鼓起和凍脹回落兩個過程。

3.5 渠道管理

加強渠道日常維護和管理有利于防止凍脹發(fā)生。尤其在入冬前，對渠道破損的部位及時修補，一般混凝土板縫間應重新灌注填縫止水材料，保證雨雪水不滲入內(nèi)部。北方地區(qū)有冬灌的習慣，但是在輸水過程中不能避免水滲入渠道，這些水分就成為凍脹的誘因，因此北方冬灌對渠道是非常不利的，解決辦法是采用節(jié)水灌溉，或者將冬灌時間提前。目前新疆兵團絕大部分耕地采用節(jié)水灌溉，免去了冬灌。

4.結(jié)語

作者根據(jù)多年設計工作經(jīng)歷，針對西北地區(qū)渠道抗凍脹問題，提出了自己的見解。文章分析了引起渠道凍脹的主要因素，提出了解決凍脹問題的設計措施，對其他類似情形的渠道設計有一定的借鑒意義。

[1]劉世春，張力平.混凝土襯砌渠道抗凍脹設計特點[J].水利水電科技進展,2008,(8):28.

[2]樊甲忍，武華昌，李志強.襯砌渠道凍脹原理及抗凍脹計算[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2002,(4).