楊正江

摘要? ? 襯砌渠道中的凍脹破壞一直是渠道施工及運行管護(hù)的重點，尤其在季節(jié)性凍土地區(qū)凍脹是渠道破壞的主要表現(xiàn)形式。近年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，襯砌渠道凍脹破壞的防治取得了很大進(jìn)展。本文分析了渠道凍脹破壞的原因，結(jié)合肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項目的實施，比較了多種防凍脹措施，并根據(jù)實際工程提出了格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)，在肅州區(qū)清水河灌區(qū)渠道襯砌中運用該技術(shù)取得了較好的效果，認(rèn)為該技術(shù)方案在季節(jié)性凍土區(qū)域渠道襯砌中具有典型意義。

關(guān)鍵詞? ? 格賓石籠;土工膜防滲;季節(jié)性凍土;渠道襯砌

中圖分類號? ? TV67;TV52? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）24-0130-01? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

季節(jié)性凍土是指土壤受到氣溫的影響，在冬季凍結(jié)而夏季全部融化的凍土[1]。由于土壤在凍結(jié)時往往會發(fā)生土壤體積增加，從而發(fā)生凍脹現(xiàn)象，而在春季土壤解凍，土壤內(nèi)的冰晶體逐漸融化，使土壤內(nèi)的含水量增加，土層軟化，強度降低，引起建筑物沉陷、開裂等破壞。在我國50%以上的國土面積都有季節(jié)凍土分布，凍土現(xiàn)象嚴(yán)重影響工程設(shè)施運行的穩(wěn)定及安全，因而在工程建設(shè)中必須要引起高度重視，采取有效的防治措施。

近年來，受中央及地方財政支持，肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項目經(jīng)酒泉市水務(wù)局批準(zhǔn)建設(shè)。該建設(shè)項目的主要建設(shè)內(nèi)容為改建干支渠道21.6 km，改建各類渠系建筑物72座。由于受該地區(qū)自然溫度的影響，該地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)域，很多老渠道都受到當(dāng)時設(shè)計和技術(shù)的限制，其中大部分渠道在運行中遭受不同程度的凍融破壞，渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹、開裂、塌陷等問題嚴(yán)重，不僅影響灌區(qū)水利工程的安全正常運行及節(jié)水型社會的建設(shè)，而且增加了渠道維護(hù)和管理的難度。為了保證肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項目建成后能夠長期穩(wěn)定發(fā)揮效益，解決渠道及渠系建筑物凍脹破壞問題勢在必行。通過對季節(jié)性凍土區(qū)域凍脹破壞的深入分析，分析比較各種渠道襯砌防凍脹措施及其在工程建設(shè)中的實際應(yīng)用，結(jié)合格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)方案在肅州區(qū)清水河灌區(qū)渠道襯砌中的運用，為季節(jié)性凍土區(qū)域渠道襯砌工程建設(shè)提供參考。

1? ? 基本情況

肅州區(qū)清水河灌區(qū)屬于甘肅省重點中型灌區(qū)，位于酒泉市肅州區(qū)城北10 km處，夏季酷熱，冬季嚴(yán)寒，日照時數(shù)長，晝夜溫差大，降雨稀少，蒸發(fā)量大。根據(jù)酒泉氣象站歷年統(tǒng)計資料，該灌區(qū)多年平均降水量為85.3 mm，多年平均蒸發(fā)量2 149 mm，多年平均氣溫7.3 ℃，極端最高氣溫38.4 ℃，極端最低氣溫-31.6 ℃，全年無霜期130 d左右，最多151 d，最少109 d;歷年最大積雪深度16 cm，最大凍土深132 cm，每年 11月中下旬封冰、次年3月初解凍;灌區(qū)內(nèi)區(qū)域水資源相對豐富，地下水埋深淺，但水資源時空分布不均，尤其在夏、秋季用水供需矛盾突出，灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有?。á瘢┬退畮?座、?。á颍┬退畮?5座，干支渠總長141.53 km，渠道襯砌率低，已襯砌渠道凍脹破壞嚴(yán)重。

2? ? 土壤凍脹破壞原因分析

2.1? ? 環(huán)境溫度

土壤的凍脹過程實際上是土壤在持續(xù)負(fù)溫狀態(tài)下的溫度變化過程。肅州區(qū)清水河灌區(qū)地處河西走廊西端嚴(yán)寒地區(qū)，冬季寒冷而漫長，11月開始?xì)鉁刂饾u下降，中旬開始結(jié)冰，當(dāng)氣溫降至0 ℃時，土壤孔隙中的自由水首先凍結(jié)為冰晶體，隨著氣溫的不斷下降，土粒弱結(jié)合水外層也逐漸開始凍結(jié)，使周圍土粒結(jié)合水膜變薄，土粒產(chǎn)生了剩余分子引力;同時，由于水膜變薄，導(dǎo)致離子濃度增加，從而加強了滲透壓力，在引力作用下，由于持續(xù)受到負(fù)溫影響，未凍結(jié)區(qū)域弱結(jié)合水不斷向這里遷移，然后再凍結(jié)，如此循環(huán)導(dǎo)致冰晶不斷擴大至凍脹。

2.2? ? 渠道土質(zhì)

土壤中的水結(jié)冰時體積增加11%，但其對凍脹破壞的影響較小，凍脹破壞的發(fā)生主要是水分在土壤中的遷移與積累。在粉質(zhì)土壤等一些土顆粒較小的土壤中，凍脹破壞更容易發(fā)生，因為這類土中毛細(xì)作用現(xiàn)象明顯，從而能夠使大量的結(jié)合水遷移積聚，產(chǎn)生較大的凍脹破壞。根據(jù)試驗研究證明，在土粒粒徑>0.1 mm的飽和粗顆粒土中，凍結(jié)過程幾乎不存在凍脹，土體凍脹系數(shù)為0.2%，其凍脹性屬為弱凍脹類[2-5]，而顆粒細(xì)小的粉質(zhì)土壤，總表面積大，持水度就大，隨著粒徑減小，水分遷移量愈大，凍脹性也會增強，但黏土因毛細(xì)作用小，水分遷移少，其凍脹破壞較粉質(zhì)土壤小。試驗表明，當(dāng)土粒粒徑為0.002～0.050 mm時凍脹性最大[6]，在粒徑較粗的粗顆粒土中，當(dāng)粒徑>0.1 mm時，在發(fā)生凍結(jié)的過程中一般不會發(fā)生結(jié)合水轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象[5]，其凍脹性較低。

2.3? ? 地下水位及排水條件

地下水位是影響凍脹的重要指標(biāo)。清水河灌區(qū)在冬季地下水位較高，且排水條件較差，受毛細(xì)作用及持續(xù)負(fù)溫的影響，土壤深處未凍結(jié)水分源源不斷地向凍結(jié)區(qū)移動并凍結(jié)，從而造成凍脹破壞。而同位于肅州區(qū)的沿山各灌區(qū)，因地下水位非常低，在同樣的氣候條件下，基本不產(chǎn)生凍脹破壞。

3? ? 渠道襯砌中的主要防凍脹措施

3.1? ? 置換渠基易凍脹土

置換渠基土是一種抗凍脹處理形式，就是將原來渠基的細(xì)顆粒易凍脹土體挖除，用大顆粒的土壤或砂礫石換填，換填料中粉黏顆粒應(yīng)小于總質(zhì)量的12%，增大填料孔隙率，減小毛細(xì)作用力，阻斷水分遷移路徑，可有效降低土壤凍脹。渠床土置換充填法適用于混凝土襯砌等剛性襯砌形式，其優(yōu)點是防凍脹破壞可靠，施工簡便，當(dāng)施工現(xiàn)場附近有質(zhì)量符合要求的砂礫石料時造價較低;其缺點是有時需置換土層厚度大，開挖及回填方量大，當(dāng)換填料運距較長時，成本高。

3.2? ? 隔熱保溫

該方法是先在襯砌材料下面鋪設(shè)一層保溫材料再進(jìn)行襯砌，保溫層作為冬季渠道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)土壤的保溫材料，盡可能降低襯砌渠道邊坡及基礎(chǔ)內(nèi)部土壤負(fù)溫影響，土壤內(nèi)水分不被凍結(jié)，從而減輕了渠道的凍脹破壞。常用保溫材料可以選擇導(dǎo)熱性低、不吸水、彈性和柔韌性好、加工方便的材料，苯板是目前使用較多的渠道襯砌防凍脹保溫材料。其缺點是施工不便，施工中需對保溫材料進(jìn)行特別保護(hù)，確保不使保溫材料受損而影響保溫效果。

3.3? ? 改變渠道襯砌形式

渠道襯砌的作用主要是減少渠道滲漏，增加渠道岸坡的穩(wěn)定性，減小水流對渠道的沖刷和淤積，目前渠道的主要襯砌形式有干砌石、漿砌石、預(yù)制板、現(xiàn)澆混凝土等形式。現(xiàn)階段，格賓石籠襯砌等柔性襯砌形式廣泛應(yīng)用于清水河灌區(qū)渠道襯砌上，在格賓石籠下鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜（兩布一膜）用于防滲。這種襯砌形式的優(yōu)點是施工簡便，格賓石籠為柔性結(jié)構(gòu)，能夠很好地適應(yīng)凍脹、沉陷變形而不被破壞，同時復(fù)合土工膜具有較大的抗拉強度和延伸性，抗侵蝕性好，能夠承受較大的水壓及適應(yīng)渠道變形，并能夠抑制渠道內(nèi)雜草滋生，保護(hù)渠道不因雜草生長而被淤積。其缺點是在同等斷面尺寸條件下輸水能力低于砼襯砌渠道。

4? ? 在清水河灌區(qū)中的實際應(yīng)用

在肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項目建設(shè)過程中，對灌區(qū)渠道的凍脹破壞原因進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)內(nèi)灌溉渠道凍脹破壞主要受環(huán)境溫度、地下水位埋深和排水條件、渠床基礎(chǔ)土壤的物理性質(zhì)等因素的影響，只有各項因素同時完全具備時才會發(fā)生凍脹破壞，在工程建設(shè)中只要消除以上因素就可以防止凍脹破壞的發(fā)生，但在實際工程的實施過程中同時消除以上各項凍脹破壞因素是很難做到的，同時也會增加工程造價，因而認(rèn)為只要消除其中的1種因素，就能夠有效防止或減輕凍脹破壞的發(fā)生。

由于肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項目正處于典型的季節(jié)性凍土區(qū)域，冬季氣溫低，持續(xù)時間長，凍土深度大，最大凍土深度可達(dá)132 cm，地下水位埋深較淺，部分地段形成露頭泉水，沒有有利的排水條件，渠道內(nèi)雜草生長茂盛，渠基土質(zhì)為沖洪積粉質(zhì)淤泥層，堿性含量大，對襯砌渠道造成較大的凍脹破壞，若同時消除以上1種或多種凍脹因素，則難度大、造價高。在項目實施中，為了降低施工難度和費用，經(jīng)過綜合分析考慮，認(rèn)為漿砌石、混凝土等剛性襯砌形式不適合在項目中應(yīng)用，因而在工程建設(shè)渠道襯砌中采用了格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)方案。該技術(shù)方案的主要實施方法如下：首先，將渠道斷面開挖至設(shè)計斷面尺寸，并將渠道邊坡及渠底的雜物等清理干凈，夯實整平，其主要目的是在復(fù)合土工膜鋪設(shè)時不損壞土工膜，且在渠道運行過程中不發(fā)生較大的不均勻沉陷，確保土工膜的完整性，提高防滲性能;然后，在平整的渠道上鋪設(shè)復(fù)合土工膜（兩布一膜），其主要作用是防滲，同時也可以有效抑制雜草生長，因為若雜草在格賓石籠中生長過多，將造成渠道淤積嚴(yán)重且清淤困難;最后，鋪設(shè)格賓網(wǎng)籠并裝填塊石進(jìn)行渠道襯砌，可根據(jù)渠道斷面大小及流量大小合理確定格賓石籠襯砌厚度，肅州區(qū)清水河灌區(qū)渠道襯砌中渠道設(shè)計流量為2 m3/s，使用格賓石籠襯砌厚度為30 cm，其主要作用是用于保護(hù)復(fù)合土工膜不受損，并確保渠道不受沖刷影響，確保渠道正常運行。

5? ? 結(jié)語

在肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項目中，格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)方案在渠道襯砌中得到了廣泛應(yīng)用。通過肅州區(qū)清水河灌區(qū)已建成格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌渠道的運行情況來看，柔性結(jié)構(gòu)的格賓石籠配合有較高抗拉強度和延伸性能的復(fù)合土工膜，能夠較好地適應(yīng)渠道基礎(chǔ)的凍脹及沉陷變形，經(jīng)過1個凍融周期的運行，各渠道都能夠正常運行，沒有產(chǎn)生凍脹破壞，取得了很好的效果。這充分說明該技術(shù)方案能夠很好地適應(yīng)季節(jié)性凍土地區(qū)渠道凍脹破壞，具有典型的應(yīng)用意義。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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