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        防滲渠道抗凍脹措施探析

        2022-05-25 13:48:14韓良凱
        黑龍江水利科技 2022年4期
        關(guān)鍵詞:鐵甲聚苯乙烯抗凍

        韓良凱

        (丹東市水利勘測設(shè)計研究院,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??偣喔让娣e2.45萬hm2,實際灌溉面積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目的正常運行,降低渠系水利用系數(shù),影響渠道防滲效果,同時也會提高工程運行管理及維修的費用,造成水資源的浪費,使本地區(qū)糧食產(chǎn)量和群眾財產(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,提高渠道的運行效率,延長其使用壽命,節(jié)約運行管理費用,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,從以下幾個方面進行分析。

        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。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,日照時數(shù)2484.3h。東港是一個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

        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)地基土凍脹級別達到Ⅲ級,屬于凍脹性土質(zhì)。

        1.3 地下水特點

        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)試驗得出,在地下水埋深在0.5m以下時,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,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,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)渠道的壓實度不夠。由于部分渠道壓實度不滿足設(shè)計要求,土體的壓實度較低,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。現(xiàn)有施工中,為了加快施工進度,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,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)計中應(yīng)對渠道岸線選擇進行合理布置,在渠道選線時,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;同時要對低洼地段,地下水位高的地段進行填方,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,淤積少。由于U形渠底為反拱型,對凍脹作用有較強的抵抗力,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、壓縮強度大、施工、運輸方便。在工程設(shè)計中,應(yīng)結(jié)合土質(zhì)、地下水埋深、渠道走向、設(shè)計凍深、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)已有的抗凍脹試驗資料和經(jīng)驗確定其鋪設(shè)的厚度等尺寸。從近幾年工程設(shè)計中可知,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。可以滿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械性能表,見表1。

        表1 保溫用聚苯乙烯泡沫塑料板物理機械性能表

        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,真正實現(xiàn)在提高渠道防滲能力的同時,采取的抗凍措施真實可行。通過智慧水利在灌區(qū)項目上的應(yīng)用,增強渠道工程管理和維護,逐步完善運行管理制度,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。促進灌區(qū)社會經(jīng)濟的發(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)濟的可持續(xù)發(fā)展。

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