引水干渠凍脹破壞影響因素分析及防凍脹設(shè)計(jì)方案比選

(五家渠農(nóng)六師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆 五家渠 831300)

新疆維吾爾自治區(qū)地處西北內(nèi)陸，氣候干旱少雨，且第一產(chǎn)業(yè)占比較重，因此農(nóng)業(yè)灌溉是影響居民收入的重要因素。灌區(qū)的眾多老水渠由于設(shè)計(jì)不合理，很多渠道凍脹破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響工程效果。因此研究渠道凍脹破壞影響因素，采取措施優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為促進(jìn)區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要途徑。

1 土體凍脹量影響因素分析

土壤在凍結(jié)過程中之所以產(chǎn)生凍脹，其主要原因是發(fā)生了水分遷移集中現(xiàn)象，結(jié)冰后造成局部體積增大。水分遷移越顯著，凍脹量越大。影響水分遷移強(qiáng)弱因素包括土壤自身性質(zhì)和外部水分環(huán)境條件，而每個(gè)因素的影響程度也各有不同。

1.1 土質(zhì)因素

土壤由多級(jí)配顆粒組成，決定基土凍脹性質(zhì)的關(guān)鍵因素為土顆粒的分散性，即顆粒的形狀和大小等，而影響其分散性的因素包括土體粒度、礦物成分、密度等。

a.土體粒度。土體顆粒度決定了表面能，顆粒越粗，表面能越弱，吸附水能力越低；顆粒越細(xì)，表面能越大，其與水分子之間的作用力也越強(qiáng)。相關(guān)學(xué)者經(jīng)研究表明：土體凍脹量和土體中細(xì)顆粒含量呈正比，具體關(guān)系曲線如圖1所示。從圖1中可知：土體粒徑在0.005～0.05mm之間時(shí)，土體凍脹量處于較大值。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也表明：當(dāng)土體中粒徑在0.002～0.05mm顆粒含量超過50%時(shí)，具有明顯凍脹性[1]。

圖1 凍脹強(qiáng)度、水分遷移聚集度與土壤顆粒粒徑間的關(guān)系

b.鹽分含量。土壤中鹽分的含量會(huì)顯著影響土體的凍脹系數(shù)，即：在同等條件下，鹽漬土的凍脹量遠(yuǎn)小于非鹽漬土(減小凍脹量接近50%)。隨著鹽分含量增多，土體凍脹量也在逐步減少，鹽漬土凍脹試驗(yàn)結(jié)果見表1[2]。

表1 鹽漬土凍脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)表(部分)

1.2 水分因素

a.地下水位。當(dāng)?shù)乇硭疅o(wú)法有效補(bǔ)給土壤含水量時(shí)，若地下水水位較淺，地表水會(huì)持續(xù)向凍結(jié)區(qū)遷移，加快凍結(jié)過程且增大凍脹量；若地下水水位較深，無(wú)法有效補(bǔ)給表層土，則土體發(fā)生凍脹破壞的可能性較小[3]。而不同種類土壤其地下水臨界補(bǔ)給高度是不同的，具體見表2。

表2 不同土壤類型地下水臨界補(bǔ)給高度 單位：m

b.負(fù)溫變化速率。土體發(fā)生凍脹的前提是溫度在0℃以下，但溫度的變化速率可以影響凍脹過程的時(shí)間及凍脹量[3]。經(jīng)對(duì)比研究表明：外界向低溫轉(zhuǎn)變?cè)窖杆?，土體凍脹量越小。其原因?yàn)橥寥乐械淖杂伤诌€未來得及遷移便以凍結(jié)為固態(tài)，凍結(jié)速率大，但凍脹量小，沒有給水分足夠的時(shí)間完成遷移和聚集。

2 工程概況

西泉水庫(kù)位于阜康市境內(nèi)，其干渠總長(zhǎng)5.75km。該段渠道始建于二十世紀(jì)90年代，經(jīng)過近30年運(yùn)行且受制于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)施工水平，目前干渠滲漏問題嚴(yán)重，經(jīng)實(shí)地考察為凍脹破壞。設(shè)計(jì)之初也未采取有效的防凍脹措施，因此相關(guān)部門決定對(duì)該段渠道進(jìn)行重建。項(xiàng)目區(qū)最大凍深為1.5m，屬季節(jié)性凍土。冬季細(xì)粒土中含水量超過20%，凍脹等級(jí)為Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)新建梯形斷面渠道水力要素見表3。

表3 新建西泉水庫(kù)干渠水力要素

3 防凍脹方案比選分析

3.1 渠道防凍脹方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)地勘測(cè)，其干渠基礎(chǔ)土土體粒度、鹽分含量均較小，凍脹性較強(qiáng)；且阜康市冬季氣溫較低，且晝夜溫差大，反復(fù)經(jīng)歷“凍結(jié)→消凍”過程加重了渠基土凍脹破壞。為徹底消除凍脹影響，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用“置換法”對(duì)渠基土進(jìn)行處理，即將一定深度的表層土挖除，充填上不同厚度砂礫石層(見圖2)[4]，具體防凍脹設(shè)計(jì)方案具體如下：

方案一：從上至下渠道結(jié)構(gòu)依次為“8cm預(yù)制混凝土板+3cm砂漿層+0.3mm土工膜+50cm砂礫石置換層”；

方案二：從上至下渠道結(jié)構(gòu)依次為“8cm預(yù)制混凝土板+3cm砂漿層+0.3mm土工膜+60cm砂礫石置換層”；

方案三：從上至下渠道結(jié)構(gòu)依次為“8cm預(yù)制混凝土板+3cm砂漿層+0.3mm土工膜+70cm砂礫石置換層”。

圖2 “置換法”渠道防凍脹措施結(jié)構(gòu)圖

3.2 各方案凍脹量觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

分別按照上述三種防凍脹方案改造三段西泉水庫(kù)干渠，每段長(zhǎng)10m。在試驗(yàn)渠道陽(yáng)坡、渠底、陰坡的混凝土板中央分別布置一個(gè)位移傳感器來監(jiān)測(cè)基土凍脹量變化。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種渠道布設(shè)三組傳感器。觀測(cè)時(shí)間為2016年11月—2017年2月，維持4個(gè)月的時(shí)間，每隔5天記錄一次數(shù)據(jù)。

a.方案一。D21、D22、D23分別為方案一中位于渠道陽(yáng)坡、渠底、陰坡的傳感器所記錄的數(shù)據(jù)。由圖3曲線走勢(shì)可知：渠道基土最大凍脹量為32mm，發(fā)生于12月—1月之間，且這兩個(gè)月內(nèi)基土凍脹量一般超過20mm。該方案的渠道基土凍脹量依然較大，渠道會(huì)產(chǎn)生一定的裂縫等病害。

圖3 方案一渠道基土凍脹量變化曲線(2016年11月—2017年2月)

b.方案二。D31、D32、D33分別為方案二中位于渠道陽(yáng)坡、渠底、陰坡的傳感器所記錄的數(shù)據(jù)。由圖4曲線走勢(shì)可知：渠道基土最大凍脹量為32mm，發(fā)生于12月末。且在該月份基土凍脹量(尤其是陰坡)大部分維持在20mm以上，其他時(shí)間渠道所有坡面的凍脹量均較小(小于20mm)。該方案的渠道基土凍脹量較之方案一明顯減小，僅12月威脅較大。

圖4 方案二渠道基土凍脹量變化曲線(2016年11月—2017年2月)

c.方案三。D41、D42、D43分別為方案三中位于渠道陽(yáng)坡、渠底、陰坡的傳感器所記錄的數(shù)據(jù)。由圖5曲線走勢(shì)可知：渠道基土最大凍脹量為13mm。

圖5 方案三渠道基土凍脹量變化曲線(2016年11月—2017年2月)

12月份基土凍脹量較大，但大部分維持在10mm以下，其他時(shí)間渠道所有坡面的凍脹量均較小(小于9mm)。該方案的渠道基土凍脹量已不明顯，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

綜合分析：在其他條件一致的前提下，置換層深度由50cm增加至70cm，基土凍脹量顯著縮小，置換層達(dá)到70cm后便可滿足施工要求。因此西泉水庫(kù)干渠防凍脹最優(yōu)措施為方案三：“8cm預(yù)制混凝土板+3cm砂漿層+0.3mm土工膜+70cm砂礫石置換層”。

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)渠道基土粒度、含鹽量、水分等因素符合凍脹土特征時(shí)，置換法是最為簡(jiǎn)單有效降低基土凍脹量的措施。但應(yīng)當(dāng)在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，盡量減少置換層厚度，既可加快施工進(jìn)度，減少工期，又能降低成本，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，因此建議必須要認(rèn)真勘察工程實(shí)際地質(zhì)條件，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相關(guān)防凍脹措施。目前西泉水庫(kù)干渠工程已經(jīng)投入使用超過一年時(shí)間，各類技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使用效果良好。