李愛(ài)萍，王進(jìn)軍

甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅玉門(mén) 735211

甘肅省疏勒河流域水資源利用中心昌馬灌區(qū)屬于國(guó)家大型自流灌區(qū)坐落在西端疏勒河干流中游，有著南高北低地勢(shì)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)海拔1 300～1 885 m，地理位置96°25′～97°30′E，40°05′～40°35′ N，南北和東西長(zhǎng)度分別是55 km、85 km，橫跨玉門(mén)、瓜州兩縣市，合計(jì)面積3 380 km2，現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)灌溉面積是4.65萬(wàn)hm2，長(zhǎng)期干旱降雨量少，晝夜溫差大，四季多風(fēng)沙?，F(xiàn)有骨干輸水渠道干渠、支干渠以及支渠88條640.4 km，建筑物2 065座，其中干渠8條，支干渠10條，主要承擔(dān)著甘肅省酒泉市轄區(qū)內(nèi)玉門(mén)、瓜州2縣市12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及甘肅農(nóng)墾團(tuán)廠等4個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)業(yè)灌溉任務(wù)，對(duì)推動(dòng)瓜州、玉門(mén)2縣市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極影響。

1 灌區(qū)渠道存在的問(wèn)題

灌區(qū)屬季節(jié)性凍脹地區(qū)，冬季漫長(zhǎng)寒冷，凍脹期為每年11月至翌年4月，最大凍土深度為1.5 m，地質(zhì)條件除西干渠及南干渠、碎石土層外，其他的還保留在粉質(zhì)壤土或黏土層中，客觀存在地段地質(zhì)、地形復(fù)雜化、渠線較長(zhǎng)等問(wèn)題。在運(yùn)作時(shí)，由于凍脹破壞產(chǎn)生的渠道安全問(wèn)題，尤其是穿越高地下水位的渠段，每年經(jīng)過(guò)冬季凍脹期后，骨干渠道都會(huì)發(fā)生基土融沉、邊坡凍脹鼓起、渠道變形等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了灌區(qū)輸水灌溉，每年都需要投入大量資金進(jìn)行維修和改建。

2 研究?jī)?nèi)容

通過(guò)收集和探測(cè)昌馬東干渠、北一支干渠干砌塊石襯砌渠段氣象、地質(zhì)資料，采用實(shí)驗(yàn)和分析的方法，得出各觀測(cè)斷面凍脹量與凍脹性之間的關(guān)系、最大凍深渠時(shí)道內(nèi)部溫度保持均勻、渠道多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面殘余變形分布情況、凍前和最大凍深時(shí)土層含水率分布情況，總結(jié)出干砌石在凍脹土及高地下水位的適用范圍，并通過(guò)對(duì)比凍脹破壞區(qū)域的成因確定維修方案，為進(jìn)一步工程設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，降低工程造價(jià)和維修費(fèi)用。

3 渠道凍害破壞的原因分析

3.1 渠床的土質(zhì)條件

若渠床的重要組成結(jié)構(gòu)式粗顆粒土?xí)r，整體凍脹量不高，如出現(xiàn)非均勻性的襯砌適應(yīng)，將使凍脹變形能力保持良好，同時(shí)能降低凍害風(fēng)險(xiǎn)。若果渠床式細(xì)粒土，則渠床土含水量較大，在地下水補(bǔ)給時(shí)，凍脹量顯著增加。如果渠床內(nèi)優(yōu)先選取混凝土或漿砌石，同時(shí)適應(yīng)變形能力小剛性襯砌，保持較明顯凍害破壞。

3.2 渠床的水分條件

渠床土凍脹性大小、凍脹率沿深度布局等因素，都與水分條件密切相關(guān)。從某些角度分析，渠床水分條件會(huì)導(dǎo)致渠道襯砌凍害破壞。在這個(gè)過(guò)程中，需要以渠床水分條件為標(biāo)準(zhǔn)完成細(xì)分：一類是地面滲水使渠床土體含水量有效提高，進(jìn)而導(dǎo)致凍脹使襯砌破壞風(fēng)險(xiǎn)上升；另一類則是在地下水不足環(huán)境中，使下渠床凍脹，進(jìn)而破壞襯砌。前者凍脹量不高，襯砌凍害破壞程度也相對(duì)偏低，后者的凍脹量偏高，使襯砌凍害破壞較為明顯。由于水分條件存在差異，凍脹率沿深部分布將呈現(xiàn)顯著的差異。混凝土預(yù)制板襯砌裂縫主要出現(xiàn)在坡腳和渠底，并且需要考慮渠床土體水分狀態(tài)的影響。

3.3 渠床的溫度條件

東西走向渠道時(shí)，南坡凍結(jié)深度＞北坡凍結(jié)深度，核心原因是陽(yáng)坡日照周期較長(zhǎng)，同時(shí)日照強(qiáng)度較大。

4 試驗(yàn)區(qū)渠道現(xiàn)狀及凍脹情況

以昌馬東干渠及北一支干渠為研究對(duì)象，東干渠總長(zhǎng)度59.8 km，設(shè)計(jì)流量為1.91～6.00 m3/s，加大流量2.29～6.5 m3/s,農(nóng)業(yè)灌溉總面積6 742.7 hm2，高地下水位主要集中在13.30～20.08 km渠段內(nèi)；北一支干渠總長(zhǎng)度13.16 km。設(shè)計(jì)流量1.5～1.9 m3/s，加大流量1.95～2.47 m3/s，農(nóng)業(yè)灌溉總面積2 676.0 hm2，高地下水位集中在0.15～11.5 km渠段內(nèi)。經(jīng)實(shí)地調(diào)查、取樣，研究區(qū)內(nèi)渠段均屬于挖方渠段，渠基和渠坡基土性質(zhì)為粉質(zhì)黏土，這些渠段發(fā)生凍脹破壞的形式相似，均為坡腳處預(yù)制板鼓脹下滑，渠底隆起，最終導(dǎo)致邊坡砼預(yù)制板邊坡整體塌落及下滑。

5 試驗(yàn)情況簡(jiǎn)介

干砌塊石襯砌形式在凍脹土及高地下水位的應(yīng)用研究試驗(yàn)是在冬季停水后，分別在東干渠、北一支干渠選取2個(gè)觀測(cè)斷面，安排專人對(duì)觀測(cè)斷面的地溫、基土含水率、襯砌體的位移情況進(jìn)行了觀測(cè)。

第一，在選定的控制點(diǎn)斷面采用溫度計(jì)測(cè)量表面20、40、60、80 cm深土層的渠底和邊坡進(jìn)行定期溫度觀測(cè)。

第二，在凍前和最大凍深時(shí)測(cè)定0～80 cm土壤含水率。

第三，視準(zhǔn)線法測(cè)量位移，具體為采用水準(zhǔn)儀及鋼尺測(cè)定干砌石襯體的水平和垂直位移。①試驗(yàn)儀器：經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺、方尺(直角尺)；②視準(zhǔn)線法在試驗(yàn)應(yīng)用上具體方法如圖1所示。

圖1 水平位移觀測(cè)示意圖

由圖1可知，A和B屬于視準(zhǔn)線下的基準(zhǔn)點(diǎn)，能建立水平位移觀測(cè)點(diǎn)，在對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，經(jīng)緯儀需要保留在A點(diǎn)，而儀器也需要對(duì)準(zhǔn)B點(diǎn)位置，則在渠底投影出A—B視準(zhǔn)線。在視準(zhǔn)線上定出要觀測(cè)的C點(diǎn)和D點(diǎn)的位置(圖2)。

圖2 垂直位移觀測(cè)示意圖

如圖2所示，用鋼尺及方尺等工具量得DF點(diǎn)距離，用水準(zhǔn)儀測(cè)出DF點(diǎn)高差，則可求出B點(diǎn)的水平距離EF，以第一次觀測(cè)的數(shù)值為基準(zhǔn)數(shù)值，與以后每次觀測(cè)的數(shù)值的差即為其水平位移。渠底位移為視準(zhǔn)線的偏移距離。

第四，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范(SL23—2006))》對(duì)渠道基土凍脹量進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)以上觀測(cè)及計(jì)算數(shù)據(jù)，分析干砌石砌體抗凍脹適用范圍[2]。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)求得各觀測(cè)斷面凍脹量與凍脹性之間的關(guān)系、最大凍深渠道溫度場(chǎng)所的布局、渠道檢測(cè)斷面殘余變形分布情況、凍前和最大凍深時(shí)土層含水率分布情況，總結(jié)出干砌石在凍脹土及高地下水位的適用范圍和通過(guò)對(duì)比凍脹破壞區(qū)域的成因和維修方案，為進(jìn)一步工程設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，降低工程造價(jià)和維修費(fèi)用。

6 結(jié)果與分析

6.1 土質(zhì)分布情況分析

北一支干渠渠段。針對(duì)渠道的地質(zhì)條件、地下水埋深信息進(jìn)行分析，上述區(qū)域都是挖方渠段，渠基和渠坡則重點(diǎn)放置在apLQ粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土土層中，在地表1 m以上的位置，鹽堿保持較高的含量，即1.8～7.8 g/kg，這也是亞硝酸鹽鹽漬土，將其干密度設(shè)定為1.23～1.56 g/cm3，細(xì)粒土(﹤0.007 5 mm)含量和厚度分別＞10和＞3。由于地下水埋深偏淺，保持在0.0～2.0 m的水平，在渠底存在滲水、積水的問(wèn)題，天然含水率保持為15%～29%，毛細(xì)提升高度則為1.7～2.6 m，水質(zhì)條件相對(duì)落后，針對(duì)砼硫酸鹽侵蝕性，渠道對(duì)應(yīng)的土基滲水補(bǔ)給量保持較高的水平。

東干渠(樁號(hào)13+362.25--20+083)渠段渠基和渠坡主要置于apLQ粉質(zhì)壤土層中，渠坡頂部1.1～0.5 m的人工填土，下伏粉質(zhì)壤土，具水平層理，中密結(jié)構(gòu)，易融鹽小于0.5%，中等壓縮性中等透水性非鹽澤土，地下水埋深0.5～1.9 m,毛細(xì)上升高度為1.7～2.6 m，水質(zhì)較差，對(duì)混凝土具有鹽酸鹽侵蝕性。

渠道凍脹破壞程度與渠基土的凍脹量大小有關(guān)，細(xì)粒土粒徑＜0.075土粒重量超過(guò)土樣中，10%屬于粗粒土為凍脹性土，東干渠(樁號(hào)13+362.25--20+083 km)，北一支干渠(樁號(hào)：0+150—11+475 km)渠段均為凍脹土，加之地下水位較淺，水分補(bǔ)給充分，則必然產(chǎn)生較大凍脹量，當(dāng)超過(guò)干砌石襯砌材料的允許法向位移時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生凍脹破壞[4-5]。

6.2 觀測(cè)斷面溫度場(chǎng)分布情況分析

根據(jù)氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2020年11月8 日—2021 年4 月15 日，2021 年11月5日—2022年4月20日為凍結(jié)期。

2020年12月最高氣溫1 ℃，最低氣溫-24 ℃。2021年3月最高氣溫最低氣溫為20 ℃，最低氣溫為-9 ℃。如果溫度梯度保持較高的水平，凍結(jié)鋒面將及時(shí)朝下進(jìn)行轉(zhuǎn)移，同時(shí)未凍部分遷移水流將會(huì)沿途處理，并且在凍結(jié)鋒面生成冰層，因?yàn)榈叵滤黄撸谐浞值乃盅a(bǔ)給，隨著凍結(jié)鋒面停留時(shí)間的增加，冰層也會(huì)更厚，對(duì)應(yīng)的凍脹量也會(huì)適當(dāng)提升。

6.3 觀測(cè)斷面含水率測(cè)量情況分析

選取Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)觀測(cè)對(duì)比斷面控制點(diǎn)，如圖3所示每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面選擇7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)凍前和最大凍深含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，現(xiàn)地觀測(cè)2020年11月20日—2021年3月10日，2021年11月20日—2022年3月10日，觀測(cè)點(diǎn)各層土含水率分布圖。由圖4可見(jiàn)，觀測(cè)點(diǎn)在凍結(jié)深度范圍內(nèi)水分重分布現(xiàn)象明顯，斷面Ⅰ(地下水埋深為0 m)凍前各土層含水率為21.7%，最大凍深時(shí)各土層含水率30.22%，平均水分遷移量約達(dá)到8.52%。斷面Ⅱ(地下水埋深1.9 m)，凍前各土層含水率為18.3%，最大凍深時(shí)各土層含水率23.5%平均水分遷移量約達(dá)到5.2%。隨著地下水埋深的增加，水分遷移量變大。

圖3 含水率檢測(cè)示意圖

圖4 凍前和最大凍深含水率分布圖

6.4 觀測(cè)斷面位移觀測(cè)情況分析

觀測(cè)點(diǎn)對(duì)比方案凍融垂直位移量和水平位移量變化觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 對(duì)比方案凍融垂直位移量和水平位移量變化觀測(cè)結(jié)果

7 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)2020年11月20日—2021年5月，2021年11月20日—2022年4月對(duì)選定的2個(gè)干砌石觀測(cè)斷面溫度、含水率、位移情況的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論。

負(fù)溫、土質(zhì)、水分三者相互影響地表凍脹量的大小，從而決定了襯砌體位移的大小的變化。在土質(zhì)、溫度變化不大的情況下，地下水埋深是影響凍脹量變化的主要因素，地下水埋深淺，(A斷面地下水埋深1.9 m，B斷面地下水埋深0 m)凍脹量大，凍脹垂直位移和水平位移變化大，A斷面渠底凍脹位移最大月平均變化發(fā)生在1月，為13.8 cm，隨著渠道位置的上升，凍脹位移逐漸變小，渠頂最大凍脹位移為5.5 cm。最大水平位移發(fā)生在1月，隨著凍脹的發(fā)生，位移朝渠道中心線方向移動(dòng)，隨著渠道位置上升，位移量逐漸變小。A斷面最大垂直位移為13.8 cm，水平位移為9.8 cm時(shí)，保持了渠道結(jié)構(gòu)完整，B斷面在垂直位移為18.8 cm，水平位移為15.3 cm時(shí)，渠道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損。由此可得出，干砌石襯砌體位移隨著凍脹量的變化而變化，凍脹量大位移值大，凍脹量小位移值小。當(dāng)位移值超過(guò)2/3(干砌石襯砌厚度為30 cm)襯砌體厚度時(shí)，造成襯砌體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，出現(xiàn)襯砌體的滑塌破壞。

8 建議措施

8.1 回避凍脹法

在規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免劈開(kāi)較高的凍脹量自然條件。在篩選渠線過(guò)程中，選取透水性能良好、地下水埋深較高、地形結(jié)構(gòu)偏高的區(qū)域；渠線有限選擇粉質(zhì)土、沼澤等地區(qū)，優(yōu)先考慮填方渠道。在考慮管道、渡槽時(shí)，可優(yōu)先選取墩基礎(chǔ)支撐架空等結(jié)構(gòu)，降低凍脹土接觸，避免凍脹影響[6-7]。

8.2 適應(yīng)凍脹法

采用干砌石襯砌斷面形式，即通過(guò)選擇襯砌材料來(lái)適應(yīng)凍脹變形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)變形超過(guò)襯砌體厚度2/3時(shí)，就會(huì)引起襯砌大面積滑塌變形，因此可以考慮分段設(shè)計(jì)原則，在地下水埋深較淺渠段，增加襯砌體厚度。

8.3 置換凍脹土消減凍脹法

如果渠基存在最大凍脹量，在凍脹融化反復(fù)的影響下，將發(fā)生凍脹累計(jì)變形。通過(guò)使用適應(yīng)、回避方案解決經(jīng)濟(jì)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題，此時(shí)可應(yīng)用凍脹基土消減凍脹法。從北一支干渠和東干渠斷面設(shè)計(jì)可以看出，原設(shè)計(jì)采用30 cm砂礫石墊層置換渠基凍脹土，在地下水埋深大于1.9 m渠段，基本滿足設(shè)計(jì)需求，但在地下水埋深小于1.9 m渠段則出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的凍脹破壞。