大安灌區(qū)工程渠道襯砌型式的研究

李 鵬 趙 云 申世吉

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

引言

大安灌區(qū)是吉林省近年建設(shè)的水利重點工程之一，在糧食安全提到關(guān)系國計民生治國安邦頭等大事的戰(zhàn)略高度的前提下，大型灌區(qū)肩負(fù)保障國家糧食安全的重要責(zé)任。大安灌區(qū)建成后，成為吉林省又一大型水稻基地，對強化東北水稻基地，提高稻米的口糧商品率，提高國家糧食安全，具有重要戰(zhàn)略意義。

但是，本區(qū)的土質(zhì)為低液限粘土，存在抗沖能力差的特點，在東北的嚴(yán)寒酷暑溫差變化大，凍融脫坡及雨水沖涮后邊坡出現(xiàn)塌陷情況，輕者使渠道因邊坡土堆棄堤腳減小過水?dāng)嗝?，降低過水能力，造成下游供水不及時現(xiàn)象，重者會出現(xiàn)渠堤管涌，危害渠道安全運行。所以，對渠系采取襯砌措施，為灌區(qū)效益的發(fā)揮，對進一步改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，有效提升糧食綜合生產(chǎn)能力，保證國家糧食安全具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 工程概況

（1）氣象

大安市多年平均氣溫為 4.4℃。極端最低氣溫為-35.8℃，發(fā)生在1987年1月。極端最高氣溫38℃，發(fā)生在1979年7月。本區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為2.00m。

（2）土質(zhì)

本區(qū)位于松遼平原中西部，地勢東南部高，西北部低，地形平坦開闊；區(qū)內(nèi)地貌類型簡單，均為堆積地形，按其成因和形態(tài)分為河漫灘和微波狀崗地。各渠道絕大部分位于局部沼澤化微波狀崗地上，局部位于微波狀崗地上，渠基大部分坐在黃土狀低液限粘土(2-1)層上。

渠道填筑土巖性均為第四系上更新統(tǒng)沖積堆積的黃土狀低液限粘土。

（3）地下水

本區(qū)地下水位特點是埋藏較淺，潛水水位略高于承壓水水位，潛水的動態(tài)變化特征和承壓水的變化特征基本一致，說明潛水與承壓水有比較密切的水力聯(lián)系，潛水越流補給承壓水。

（4）工程現(xiàn)狀

大安灌區(qū)灌溉渠系包括總干渠一條，干渠4條，分別為一、二、三干渠和姜家圍子干渠，總長65.9km；支渠30條，總長114km；斗渠159條，總長196km；農(nóng)渠573條，總長483km。

其中除總干渠已于2011年進行襯砌外，只有斗渠3條已襯砌，農(nóng)渠12條已襯砌。

2 襯砌型式

項目區(qū)多為全填方渠道，根據(jù)地質(zhì)資料，渠底填方土多為低液限粘土(2-1)，抗沖能力差，易出現(xiàn)管涌破壞。為防止凍融和雨水破壞，需設(shè)置襯砌等工程防護措施。

渠道襯砌工程不僅要滿足防滲、護坡、減少糙率的要求，而且要經(jīng)受凍脹等多種不利因素的考驗，因此，渠道襯砌型式必須考慮各種因素的影響。

根據(jù)灌區(qū)工程渠道護砌工程量大，投資限制，工期緊的特點，結(jié)合近幾年吉林省哈達山輸水總干渠、引嫩入白等工程護砌的經(jīng)驗，經(jīng)過方案比較如下：

對干渠渠坡、渠底采用PP纖維混凝土板護砌，渠坡板厚8cm，規(guī)格1.5m×1m（長×寬），渠底板厚 10cm，混凝土板的規(guī)格 1m×1m（長×寬），下鋪兩布一膜渠道護砌形式。

對支渠渠坡、渠底采用PP纖維混凝土板護砌，渠坡板厚7cm，渠底板厚8cm，規(guī)格均為混凝土板的規(guī)格1m×1m（長×寬），下鋪兩布一膜渠道護砌形式。

對斗、農(nóng)渠渠坡采用現(xiàn)澆PP纖維混凝土板，渠坡、渠底板厚均為6cm?；炷涟鍓K下鋪復(fù)合土工膜（兩布一膜）進行防滲，規(guī)格為（500g/m2）。

3 渠道抗凍脹設(shè)計

本區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)，一般10月底土層開始凍結(jié)，至3月達最大值，4月開化，5月中、下旬化透。同一地點，不同年份的最大凍土深度相差較大。工程區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深凍土深度為2m。

因項目區(qū)絕大部分渠系均為填方渠道，這樣可使渠基排水充分，防止地下水產(chǎn)生的凍脹對渠基的影響，故選取二干渠樁號 27+000（該段為半填半挖渠段，渠頂132.85m，渠底130.1m，設(shè)計水位131.65m，地下水埋深128.1m，底寬9m，內(nèi)邊坡1.75，外邊坡1.5）進行抗凍脹計算。

3.1 設(shè)計凍深

依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL23－2006）渠系工程設(shè)計凍深可按公式①計算：

式中：Zd—渠系工程設(shè)計凍深（cm）；Zm—歷年最大凍深（cm），取2m；ψw—考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù)（），α 取 0.76，ψi取1.05，經(jīng)計算ψd為 1.012；

式中：wψ—地下水影響系數(shù)；Zwi—計算點的凍前地下水位深度（根據(jù)二干渠地質(zhì)勘查，該點地下水埋深為128.1m，渠底為130.1，故取值為2m）；Zw0—臨近氣象站凍前地下水位埋深（m），按最不利取 3m；β—系數(shù)，查《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL23－2006）取0.79。

3.2 凍脹量計算

式中：Zf—基礎(chǔ)下的設(shè)計凍深（m）；

Zf= Zd- 0.35δ c - 1.6δ w，δ c—基礎(chǔ)板厚度（m），取0.08m；δ w—基板之上冰層厚度（m），取0；h—工程地點天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量（cm）。

工程天然狀態(tài)的凍脹量h可由《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL23－2006）圖 3.2.2-1黏土凍深與凍脹量的關(guān)系曲線查得，也可按公式h =計算；hf—基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量（cm）。計算結(jié)果見表1：

表1 凍脹量計算成果表

經(jīng)計算確定襯砌渠道的凍脹量與規(guī)范的規(guī)定值相比，有一定差距，需考慮防凍脹措施。

3.3 防凍脹結(jié)構(gòu)

對渠道防凍脹處理方式的選擇，關(guān)系到渠道的造價和施工的難易，必須慎之又慎。渠道襯砌采取的防凍脹措施主要有排水法、換土法和保溫法。排水法需要在混凝土襯砌結(jié)構(gòu)以下鋪設(shè)排水體和排水管道，以排除地下水，降低地下水位，減少渠堤土的含水量。采用排水法施工工藝較為復(fù)雜，工程質(zhì)量難以保證。

故采用了兩種形式進行比較：一種型式為渠基換填（即置換法），另一種型式為保溫板保溫。

（1）置換法

渠基換填型式為渠基換填砂礫石。砂礫石墊層不僅本身無凍脹，而且能排除滲水和阻止下臥層水分向表層凍結(jié)區(qū)遷移，所以砂礫石墊層能有效減少凍脹，防止凍害現(xiàn)象的發(fā)生。但這種換填工程量較大，換填厚度一般要大于等于凍結(jié)深度。因此，當(dāng)凍結(jié)深度較大時，應(yīng)根據(jù)凍脹強度沿凍深的分布狀況和襯砌結(jié)構(gòu)的允許位移值，計算渠床各部分的置換深度，確定置換斷面。渠床各部位的置換深度可按公式[2]計算：

其中：Ze—渠床某部位的置換深度，cm；Zd—渠床某部位的設(shè)計凍深，cm；0δ—渠床襯砌板厚度，cm；ε—置換比（%），選取80%。

經(jīng)計算，渠基需置換砂礫石1.2m。

置換法，由于對渠基進行了徹底換填，當(dāng)質(zhì)量達到要求時，可保證渠道永久不受凍脹危害。但考慮工程的實際情況，同時也具有以下缺點：①由于換填厚度大，土方工程量較大，造價較高；②施工難度大，清除了渠基原土，換填后的砂石難以進行夯實，要達到施工規(guī)范要求，難度較大；③換填料的質(zhì)量難以把握。

（2）保溫板防凍脹

鋪設(shè)保溫板保溫，防止渠基土凍脹也是近年來逐漸采用的一種新型防凍脹處理形式。它只有保溫作用，不對基土進行回填。具有以下優(yōu)點：①抗凍效果好；②施工方便，渠道開挖斷面小，不對基土進行擾動，直接將保溫板置于基土上，在保溫板上直接進行襯砌材料的施工；③在一定條件下造價便宜，使用的施工機械少，人工省。采用保溫板，不進行基土換填，避免了大量土石方機械的使用。尤其當(dāng)基土換填材料運距大于一定距離時，其造價低的優(yōu)勢立即顯現(xiàn)。

這里選取兩種保溫材料做對比，聚苯保溫板和聚氨酯保溫板。

① 聚苯保溫板保溫，苯板厚度按設(shè)計置換深度的1/10取用，選用12cm厚。

② 聚氨酯保溫板。

根據(jù)已建松原市哈達山水利樞紐工程中松原灌區(qū)輸水總干渠采用保溫板后的凍脹試驗結(jié)果表明，陽坡鋪設(shè) 5cm聚氨酯保溫板，陰坡鋪設(shè)6cm聚氨酯保溫板的防凍脹措施起到了很好的效果。

從聚苯板和聚氨酯保溫板的材料上看，聚氨酯保溫板價格較高，但是聚氨酯保溫板的密度為40～45kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù) 0.02w/m·k，吸水率 2%，使用壽命可達 50年以上，而聚苯板的密度為30kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù) 0.039w/m·k，吸水率 2%，使用壽命僅可達15～20年。從保溫效果、耐冷熱性能、吸水率、使用壽命等幾方面考慮，聚氨酯保溫板都強于聚苯板。

以二干渠為例，通過經(jīng)濟方案比選，選取聚氨酯保溫板作為渠道防凍脹措施。見表2：

表2 防凍脹方案各材料延米投資估算對比表

故對干渠挖方渠段，東西走向干渠陽坡加設(shè)5cm聚氨酯保溫板，陰坡、渠底加設(shè) 6cm聚氨酯保溫板，南北走向干渠渠坡、渠底加設(shè) 5cm聚氨酯保溫板。

對渠道深挖方段，為保證襯砌基礎(chǔ)排水順暢，避免發(fā)生凍脹破壞，襯砌結(jié)構(gòu)型式增加渠基渠堤排水措施，即將聚氨酯保溫板下的二布一膜改為無紡布。同時，設(shè)計每隔6m設(shè)置7個φ 63排水孔（其中渠底3個，渠兩側(cè)內(nèi)邊坡坡腳各設(shè)2個），單根排水管長度為 0.2m，排水管入土側(cè)采用無紡布包封，排水孔需貫穿PP纖維混凝土板及聚氨酯保溫板。

4 結(jié)論

（1）灌區(qū)絕大部分渠系均為填方渠道，這樣可使渠基排水充分，防止地下水產(chǎn)生的凍脹對渠基的影響。對挖方渠段，特別是高地下水位渠段，應(yīng)根據(jù)實際情況，可采用排水與保溫、換填相結(jié)合的方法，以提高防治凍脹效果。

（2）東北地區(qū)灌區(qū)冬季無供水任務(wù)。在供水期結(jié)束至入冬土體凍結(jié)期間，項目區(qū)內(nèi)地下水位下降，基礎(chǔ)凍脹量會隨著地下水埋深與基礎(chǔ)之間垂直距離的增加而遞減。

（3）采用防滲膜結(jié)構(gòu)，能夠有效防止渠道水對渠基土體的滲水補給，使凍結(jié)前土中含水量盡可能降低或凍結(jié)期間不致形成強烈的水分遷移、集聚，可有效的降低凍脹量。

（4）采用混凝土板和防滲膜組合結(jié)構(gòu)的襯砌型式，在吉林省和黑龍江省大中型灌區(qū)中普遍采用，從實際運行效果來看，除了個別部位通過局部歲修，渠道整體的運行能夠滿足日常灌溉的要求。

（5）考慮經(jīng)濟、安全的角度，在采取防凍脹措施時，陰坡、陽坡要區(qū)別對待。

（6）提高渠道填筑質(zhì)量，提高基土的密實度，減少土壤孔隙率，提高不透水性，減少了滲漏和含水量，有助于防止凍脹破壞。

5 建議

渠道防滲防凍脹要達到效果好，工程措施只是一方面的因素，建成后的管護措施也是一個重要方面。

（1）要有專門的檢測機構(gòu)進行渠道的防滲凍脹觀測。

（2）每年應(yīng)進行一次襯砌體的裂縫修補使砌塊縫間填料保持原設(shè)計狀態(tài)，襯砌體的封頂應(yīng)保持完好，不允許有外水流入襯砌體背后。

（3）應(yīng)及時維修各種排水措施，保證排水暢通，冬季渠道應(yīng)在停水后及時清障，不允許渠內(nèi)積水。并且保證渠道在日平均氣溫穩(wěn)定進入0℃日前至少10天放空渠道。

（4）渠堤外側(cè)應(yīng)種植喜水性樹木護渠。

1 畢淑霞, 賈志國等[J]. 松嫩平原大安灌區(qū)渠系地下水臨界深度的確定. 東北水利水電. 2009(5).

2 程玉輝, 周賀達. 聚氨酯保溫板在哈達山輸水干渠中的應(yīng)用研究 [J]. 東北水利水電. 2010(12).