張曄

摘要：渠道作為水利工程的基礎(chǔ)設(shè)施之一，隨著使用年限的增長(zhǎng)，可能因凍脹破壞出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。以新疆西泉水庫(kù)引水干渠為實(shí)例，介紹了渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞的影響因素，包括土基質(zhì)、水分、地下水水位等，并根據(jù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞特點(diǎn)，采取聚合物柔性增強(qiáng)涂層防凍脹措施，取得了良好防凍脹效果，可為類(lèi)似工程防凍脹設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：凍脹破壞;防凍脹設(shè)計(jì);襯砌結(jié)構(gòu);引水干渠

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.007

我國(guó)新疆維吾爾族自治區(qū)地廣人稀，第一產(chǎn)業(yè)在地區(qū)經(jīng)濟(jì)中所占比重較大，因此建設(shè)規(guī)?；?、集約化農(nóng)場(chǎng)和灌區(qū)成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展方向。引水渠道是農(nóng)場(chǎng)和灌區(qū)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，但受制于施工技術(shù)且缺乏日常管理，渠道滲漏已經(jīng)成為新疆很多老舊灌溉系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題，究其原因主要是凍脹破壞，因此必須要做好渠道防凍脹設(shè)計(jì)。

1 工程概況

西泉水庫(kù)是新疆阜康市土墩子農(nóng)場(chǎng)主要的灌溉水源，控制灌溉面積達(dá)3 670 hm2，占農(nóng)場(chǎng)總面積的86%。西泉水庫(kù)于20世紀(jì)80年代建成并投入使用，目前已運(yùn)行40 a。水庫(kù)原設(shè)計(jì)總庫(kù)容約為150萬(wàn)m3，現(xiàn)降至110萬(wàn)m3。西泉水庫(kù)至土墩子農(nóng)場(chǎng)的引水干渠總長(zhǎng)約18.4 km，據(jù)統(tǒng)計(jì)，引水干渠單位時(shí)間的滲漏量約達(dá)到總灌溉用水的18%，大部分為凍脹裂縫滲漏，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，需對(duì)長(zhǎng)5.75 km的引水干渠進(jìn)行防滲改建，渠道設(shè)計(jì)流量5.0m3/s，工程級(jí)別為5級(jí)。

2 干渠襯砌凍脹影響因素分析

經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者研究，影響渠道襯砌凍脹破壞程度的主要因素有土基質(zhì)、水分、地下水水位等，本文對(duì)各因素進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.1 土基質(zhì)影響分析

（1）土基質(zhì)的分散性。土的分散性主要指粒徑和級(jí)配，兩者直接關(guān)系到毛細(xì)力，對(duì)水分遷移影響較大，進(jìn)而影響地基凍脹性[1]。圖1為不同土基粒徑下凍脹強(qiáng)度和水分遷移聚集的變化曲線(xiàn)。由圖可知：①粒徑由0.1 mm降至0.005 mm時(shí)，土基凍脹強(qiáng)度和水分遷移聚集程度急劇上升并達(dá)到最大值;②粒徑由0.005 mm降至0.001 mm時(shí)，土基凍脹強(qiáng)度和水分遷移聚集程度又急劇下降[2]。因此得出粒徑尺寸在0.01～0.005 mm范圍內(nèi)，土基的凍脹性最強(qiáng)，水分子遷移聚集程度也最大。經(jīng)勘察，西泉水庫(kù)引水干渠土基由級(jí)配不良（良好）礫、砂礫石構(gòu)成，粒徑范圍在0.01～0.005 mm之間的礫、砂礫石重量超過(guò)總土重的10%，即可斷定為凍脹性土基，土基的分散性是土墩子農(nóng)場(chǎng)引水干渠凍脹破壞最主要的原因。

（2）黏性土礦物組成。Ca2+、Na+是土壤中含量最高的礦物成分，因此鹽漬土和非鹽漬土的凍脹量也會(huì)出現(xiàn)差別[3]。研究人員從土墩子農(nóng)場(chǎng)引水干渠基土中選取樣土，將同一地段的樣土分為兩組：一組是天然樣品（編號(hào)01和02），另一組是對(duì)應(yīng)的經(jīng)洗鹽處理后樣品（編號(hào)01’和02’），兩組樣品凍脹結(jié)果見(jiàn)表1。樣品土經(jīng)洗鹽處理后，其凍脹量顯著提高，幅度超過(guò)120%。通過(guò)更細(xì)致地研究發(fā)現(xiàn)，Na+可有效阻止水分子遷移，降低土體凍脹量。土墩子農(nóng)場(chǎng)引水干渠基土中Na+較多，所以對(duì)凍脹性影響較小，可以忽略不計(jì)。

2.2 水分條件影響

利用式（1）計(jì)算了項(xiàng)目區(qū)10種基土的臨界含水量，估算偏差和試驗(yàn)結(jié)果偏差均能控制在2.0%以?xún)?nèi)，說(shuō)明公式準(zhǔn)確度很高。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，冬季項(xiàng)目區(qū)渠道基土含水量較大，極易引起地基凍脹破壞（凍脹破壞含水量臨界值為25%），因此地基含水量是造成土墩子農(nóng)場(chǎng)引水干渠凍脹破壞的重要因素之一。

2.3 地下水位影響分析

地下水是土體凍脹自由水的重要補(bǔ)充來(lái)源，通過(guò)分析地下水埋深Hw和土體凍脹率η的關(guān)系，繪制出圖2的擬合曲線(xiàn)，由圖可知：①當(dāng)?shù)叵滤裆钣? mm下降至50 mm時(shí)，土體凍脹率由30%急劇下降至10%;②隨著地下水埋深的進(jìn)一步下降，土體凍脹率由8%逐漸下降至4%左右，并逐步穩(wěn)定[5] 。

西泉水庫(kù)引水干渠沿線(xiàn)地下水埋深一般在300 mm以下，因此地下水對(duì)土墩子農(nóng)場(chǎng)引水干渠地基凍脹量影響較小，在此不作考慮。

2.4 梯形渠道凍脹力學(xué)模型分析

土墩子農(nóng)場(chǎng)干渠橫斷面為梯形，底邊長(zhǎng)度100 cm，上邊長(zhǎng)度380 cm，深度110 cm，邊坡比為1：1.5。由經(jīng)驗(yàn)可知，梯形渠道坡腳處和渠底襯砌受土體凍脹影響最大。實(shí)地勘察也發(fā)現(xiàn)土墩子農(nóng)場(chǎng)引水干渠裂縫部位大多位于渠道底部，因此可判斷其破壞形式如圖3所示[6]。

由于陰面和陽(yáng)面區(qū)別很大，因此渠底面會(huì)受力不均，可將其受力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，其支座反力由坡板反力RA、RA'及軸向推力N、N'合力求出（見(jiàn)圖4）。有研究表明，渠道彎矩最大處位于渠底中部略微靠近陰坡部位;剪切力最大處位于渠坡中間偏下部位，靠近渠底的1/3處[7]。

3 干渠襯砌防凍脹防滲結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)分析

3.1 防凍脹防滲方案選擇

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，結(jié)合渠道凍脹破壞特點(diǎn)，該項(xiàng)目中渠道可采取的防凍脹及防滲結(jié)構(gòu)層有兩種：瀝青混凝土和聚合物柔性增強(qiáng)涂層。

（1）瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層。該結(jié)構(gòu)層是在穩(wěn)定平整的渠基上用瀝青混凝土代替普通混凝土進(jìn)行襯砌施工，整個(gè)結(jié)構(gòu)由外到里依次為封閉層、瀝青混凝土層和土（石）渠基[8]。

（2）聚合物柔性增強(qiáng)涂層。該結(jié)構(gòu)層是在渠道開(kāi)挖面的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)80～100 mm的干硬性砂漿層，碾壓平整后，再鋪設(shè)一層具有良好彈性和強(qiáng)度的聚合物柔性增強(qiáng)涂層。該涂層可適應(yīng)凍脹變形且基底結(jié)構(gòu)防滲功能不變。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用的涂層防水涂料以丙烯酸為主要原料，主要參數(shù)性能見(jiàn)表2[9]。

經(jīng)對(duì)比分析，聚合物柔性增強(qiáng)涂層施工簡(jiǎn)單，成本較低，且集防凍脹和防滲為一體;對(duì)比水泥類(lèi)材料，其延伸性、耐久性、柔韌性均有很大提升，因此西泉水庫(kù)引水干渠防凍脹防滲結(jié)構(gòu)層選用聚合物柔性增強(qiáng)涂層方案。

3.2 聚合物柔性增強(qiáng)涂層設(shè)計(jì)

（1）干硬性砂漿層設(shè)計(jì)。干硬性砂漿層在此充當(dāng)?shù)氖沁^(guò)渡層，設(shè)計(jì)陽(yáng)面厚80 mm，陰面厚100 mm，材料配比為水泥：砂子：水=1：6：1，鋪設(shè)完成后碾壓平整，密實(shí)率應(yīng)大于95%。

（2）聚合物柔性增強(qiáng)涂層設(shè)計(jì)。干硬性砂漿層施工完成后，在其上噴撒一層厚度為1.0～1.5 mm的聚合物柔性增強(qiáng)涂層（見(jiàn)圖5）。聚合物柔性增強(qiáng)涂層結(jié)構(gòu)雖然未能有效降低渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量變化，但可以保證不會(huì)產(chǎn)生凍脹裂縫，進(jìn)而保證渠道防滲性能。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)干渠襯砌凍脹影響因素分析，得出造成西泉水庫(kù)引水干渠凍脹破壞的主要原因?yàn)橥粱稚⑿院偷鼗?。同時(shí)，渠道受力模型也反映出最易產(chǎn)生凍脹破壞部位是渠道底部及渠坡中間偏下。通過(guò)對(duì)比，確定引水干渠防凍脹防滲方案為聚合物柔性增強(qiáng)涂層。該水庫(kù)引水干渠部分段經(jīng)聚合物柔性增強(qiáng)涂層處理后，徹底解決了渠道滲漏問(wèn)題。經(jīng)3a運(yùn)行，渠道襯砌面未發(fā)現(xiàn)貫穿裂縫及脫皮現(xiàn)象，日常保養(yǎng)僅在涂層薄弱部位補(bǔ)刷即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]李卓，盛金保，劉斯宏.土工袋防渠道凍脹模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（8）：1455-1463.

[2] 陳雯龍.新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2011，19（3）：45-47.

[3]程滿(mǎn)金，申利剛，步豐湖，等，聚苯乙烯保溫板在襯砌渠道防凍脹中的應(yīng)用研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2011，30（5）：22-27.

[4]王偉.景電灌區(qū)渠道防凍脹技術(shù)在節(jié)水改造工程中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2013.

[5]郭瑞，王正中，牛永紅，等.基于TCR傳熱原理的混凝土復(fù)合保溫襯砌渠道防凍脹效果研究[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（20）：101-106.

[6] 羅帆.岳普湖縣某渠道防凍脹設(shè)計(jì)[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2014，22（5）：55-56.

[7]徐存東，王燕.塊石套砌加固措施在灌區(qū)渠道防凍脹中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006（10）：90-91.

[8] 馬瑞忠.聚苯乙烯保溫板在渠道防凍中的應(yīng)用[Jl.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016（1）：96-97.

[9]程滿(mǎn)金，申利剛，步豐湖，等.聚苯乙烯保溫板在襯砌渠道防凍脹中的應(yīng)用研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2011，30（5）：22-27.