格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)在季節(jié)性凍土區(qū)渠道襯砌中的應(yīng)用

楊正江

摘要? ? 襯砌渠道中的凍脹破壞一直是渠道施工及運(yùn)行管護(hù)的重點(diǎn)，尤其在季節(jié)性凍土地區(qū)凍脹是渠道破壞的主要表現(xiàn)形式。近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，襯砌渠道凍脹破壞的防治取得了很大進(jìn)展。本文分析了渠道凍脹破壞的原因，結(jié)合肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目的實(shí)施，比較了多種防凍脹措施，并根據(jù)實(shí)際工程提出了格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)，在肅州區(qū)清水河灌區(qū)渠道襯砌中運(yùn)用該技術(shù)取得了較好的效果，認(rèn)為該技術(shù)方案在季節(jié)性凍土區(qū)域渠道襯砌中具有典型意義。

關(guān)鍵詞? ? 格賓石籠;土工膜防滲;季節(jié)性凍土;渠道襯砌

中圖分類號(hào)? ? TV67;TV52? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）24-0130-01? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

季節(jié)性凍土是指土壤受到氣溫的影響，在冬季凍結(jié)而夏季全部融化的凍土[1]。由于土壤在凍結(jié)時(shí)往往會(huì)發(fā)生土壤體積增加，從而發(fā)生凍脹現(xiàn)象，而在春季土壤解凍，土壤內(nèi)的冰晶體逐漸融化，使土壤內(nèi)的含水量增加，土層軟化，強(qiáng)度降低，引起建筑物沉陷、開裂等破壞。在我國(guó)50%以上的國(guó)土面積都有季節(jié)凍土分布，凍土現(xiàn)象嚴(yán)重影響工程設(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定及安全，因而在工程建設(shè)中必須要引起高度重視，采取有效的防治措施。

近年來(lái)，受中央及地方財(cái)政支持，肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目經(jīng)酒泉市水務(wù)局批準(zhǔn)建設(shè)。該建設(shè)項(xiàng)目的主要建設(shè)內(nèi)容為改建干支渠道21.6 km，改建各類渠系建筑物72座。由于受該地區(qū)自然溫度的影響，該地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)域，很多老渠道都受到當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和技術(shù)的限制，其中大部分渠道在運(yùn)行中遭受不同程度的凍融破壞，渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹、開裂、塌陷等問(wèn)題嚴(yán)重，不僅影響灌區(qū)水利工程的安全正常運(yùn)行及節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)，而且增加了渠道維護(hù)和管理的難度。為了保證肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目建成后能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)揮效益，解決渠道及渠系建筑物凍脹破壞問(wèn)題勢(shì)在必行。通過(guò)對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)域凍脹破壞的深入分析，分析比較各種渠道襯砌防凍脹措施及其在工程建設(shè)中的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)方案在肅州區(qū)清水河灌區(qū)渠道襯砌中的運(yùn)用，為季節(jié)性凍土區(qū)域渠道襯砌工程建設(shè)提供參考。

1? ? 基本情況

肅州區(qū)清水河灌區(qū)屬于甘肅省重點(diǎn)中型灌區(qū)，位于酒泉市肅州區(qū)城北10 km處，夏季酷熱，冬季嚴(yán)寒，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，晝夜溫差大，降雨稀少，蒸發(fā)量大。根據(jù)酒泉?dú)庀笳練v年統(tǒng)計(jì)資料，該灌區(qū)多年平均降水量為85.3 mm，多年平均蒸發(fā)量2 149 mm，多年平均氣溫7.3 ℃，極端最高氣溫38.4 ℃，極端最低氣溫-31.6 ℃，全年無(wú)霜期130 d左右，最多151 d，最少109 d;歷年最大積雪深度16 cm，最大凍土深132 cm，每年 11月中下旬封冰、次年3月初解凍;灌區(qū)內(nèi)區(qū)域水資源相對(duì)豐富，地下水埋深淺，但水資源時(shí)空分布不均，尤其在夏、秋季用水供需矛盾突出，灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有小（Ⅰ）型水庫(kù)3座、?。á颍┬退畮?kù)15座，干支渠總長(zhǎng)141.53 km，渠道襯砌率低，已襯砌渠道凍脹破壞嚴(yán)重。

2? ? 土壤凍脹破壞原因分析

2.1? ? 環(huán)境溫度

土壤的凍脹過(guò)程實(shí)際上是土壤在持續(xù)負(fù)溫狀態(tài)下的溫度變化過(guò)程。肅州區(qū)清水河灌區(qū)地處河西走廊西端嚴(yán)寒地區(qū)，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，11月開始?xì)鉁刂饾u下降，中旬開始結(jié)冰，當(dāng)氣溫降至0 ℃時(shí)，土壤孔隙中的自由水首先凍結(jié)為冰晶體，隨著氣溫的不斷下降，土粒弱結(jié)合水外層也逐漸開始凍結(jié)，使周圍土粒結(jié)合水膜變薄，土粒產(chǎn)生了剩余分子引力;同時(shí)，由于水膜變薄，導(dǎo)致離子濃度增加，從而加強(qiáng)了滲透壓力，在引力作用下，由于持續(xù)受到負(fù)溫影響，未凍結(jié)區(qū)域弱結(jié)合水不斷向這里遷移，然后再凍結(jié)，如此循環(huán)導(dǎo)致冰晶不斷擴(kuò)大至凍脹。

2.2? ? 渠道土質(zhì)

土壤中的水結(jié)冰時(shí)體積增加11%，但其對(duì)凍脹破壞的影響較小，凍脹破壞的發(fā)生主要是水分在土壤中的遷移與積累。在粉質(zhì)土壤等一些土顆粒較小的土壤中，凍脹破壞更容易發(fā)生，因?yàn)檫@類土中毛細(xì)作用現(xiàn)象明顯，從而能夠使大量的結(jié)合水遷移積聚，產(chǎn)生較大的凍脹破壞。根據(jù)試驗(yàn)研究證明，在土粒粒徑>0.1 mm的飽和粗顆粒土中，凍結(jié)過(guò)程幾乎不存在凍脹，土體凍脹系數(shù)為0.2%，其凍脹性屬為弱凍脹類[2-5]，而顆粒細(xì)小的粉質(zhì)土壤，總表面積大，持水度就大，隨著粒徑減小，水分遷移量愈大，凍脹性也會(huì)增強(qiáng)，但黏土因毛細(xì)作用小，水分遷移少，其凍脹破壞較粉質(zhì)土壤小。試驗(yàn)表明，當(dāng)土粒粒徑為0.002～0.050 mm時(shí)凍脹性最大[6]，在粒徑較粗的粗顆粒土中，當(dāng)粒徑>0.1 mm時(shí)，在發(fā)生凍結(jié)的過(guò)程中一般不會(huì)發(fā)生結(jié)合水轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象[5]，其凍脹性較低。

2.3? ? 地下水位及排水條件

地下水位是影響凍脹的重要指標(biāo)。清水河灌區(qū)在冬季地下水位較高，且排水條件較差，受毛細(xì)作用及持續(xù)負(fù)溫的影響，土壤深處未凍結(jié)水分源源不斷地向凍結(jié)區(qū)移動(dòng)并凍結(jié)，從而造成凍脹破壞。而同位于肅州區(qū)的沿山各灌區(qū)，因地下水位非常低，在同樣的氣候條件下，基本不產(chǎn)生凍脹破壞。

3? ? 渠道襯砌中的主要防凍脹措施

3.1? ? 置換渠基易凍脹土

置換渠基土是一種抗凍脹處理形式，就是將原來(lái)渠基的細(xì)顆粒易凍脹土體挖除，用大顆粒的土壤或砂礫石換填，換填料中粉黏顆粒應(yīng)小于總質(zhì)量的12%，增大填料孔隙率，減小毛細(xì)作用力，阻斷水分遷移路徑，可有效降低土壤凍脹。渠床土置換充填法適用于混凝土襯砌等剛性襯砌形式，其優(yōu)點(diǎn)是防凍脹破壞可靠，施工簡(jiǎn)便，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)附近有質(zhì)量符合要求的砂礫石料時(shí)造價(jià)較低;其缺點(diǎn)是有時(shí)需置換土層厚度大，開挖及回填方量大，當(dāng)換填料運(yùn)距較長(zhǎng)時(shí)，成本高。

3.2? ? 隔熱保溫

該方法是先在襯砌材料下面鋪設(shè)一層保溫材料再進(jìn)行襯砌，保溫層作為冬季渠道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)土壤的保溫材料，盡可能降低襯砌渠道邊坡及基礎(chǔ)內(nèi)部土壤負(fù)溫影響，土壤內(nèi)水分不被凍結(jié)，從而減輕了渠道的凍脹破壞。常用保溫材料可以選擇導(dǎo)熱性低、不吸水、彈性和柔韌性好、加工方便的材料，苯板是目前使用較多的渠道襯砌防凍脹保溫材料。其缺點(diǎn)是施工不便，施工中需對(duì)保溫材料進(jìn)行特別保護(hù)，確保不使保溫材料受損而影響保溫效果。

3.3? ? 改變渠道襯砌形式

渠道襯砌的作用主要是減少渠道滲漏，增加渠道岸坡的穩(wěn)定性，減小水流對(duì)渠道的沖刷和淤積，目前渠道的主要襯砌形式有干砌石、漿砌石、預(yù)制板、現(xiàn)澆混凝土等形式?，F(xiàn)階段，格賓石籠襯砌等柔性襯砌形式廣泛應(yīng)用于清水河灌區(qū)渠道襯砌上，在格賓石籠下鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜（兩布一膜）用于防滲。這種襯砌形式的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)便，格賓石籠為柔性結(jié)構(gòu)，能夠很好地適應(yīng)凍脹、沉陷變形而不被破壞，同時(shí)復(fù)合土工膜具有較大的抗拉強(qiáng)度和延伸性，抗侵蝕性好，能夠承受較大的水壓及適應(yīng)渠道變形，并能夠抑制渠道內(nèi)雜草滋生，保護(hù)渠道不因雜草生長(zhǎng)而被淤積。其缺點(diǎn)是在同等斷面尺寸條件下輸水能力低于砼襯砌渠道。

4? ? 在清水河灌區(qū)中的實(shí)際應(yīng)用

在肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，對(duì)灌區(qū)渠道的凍脹破壞原因進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)內(nèi)灌溉渠道凍脹破壞主要受環(huán)境溫度、地下水位埋深和排水條件、渠床基礎(chǔ)土壤的物理性質(zhì)等因素的影響，只有各項(xiàng)因素同時(shí)完全具備時(shí)才會(huì)發(fā)生凍脹破壞，在工程建設(shè)中只要消除以上因素就可以防止凍脹破壞的發(fā)生，但在實(shí)際工程的實(shí)施過(guò)程中同時(shí)消除以上各項(xiàng)凍脹破壞因素是很難做到的，同時(shí)也會(huì)增加工程造價(jià)，因而認(rèn)為只要消除其中的1種因素，就能夠有效防止或減輕凍脹破壞的發(fā)生。

由于肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目正處于典型的季節(jié)性凍土區(qū)域，冬季氣溫低，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，凍土深度大，最大凍土深度可達(dá)132 cm，地下水位埋深較淺，部分地段形成露頭泉水，沒(méi)有有利的排水條件，渠道內(nèi)雜草生長(zhǎng)茂盛，渠基土質(zhì)為沖洪積粉質(zhì)淤泥層，堿性含量大，對(duì)襯砌渠道造成較大的凍脹破壞，若同時(shí)消除以上1種或多種凍脹因素，則難度大、造價(jià)高。在項(xiàng)目實(shí)施中，為了降低施工難度和費(fèi)用，經(jīng)過(guò)綜合分析考慮，認(rèn)為漿砌石、混凝土等剛性襯砌形式不適合在項(xiàng)目中應(yīng)用，因而在工程建設(shè)渠道襯砌中采用了格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)方案。該技術(shù)方案的主要實(shí)施方法如下：首先，將渠道斷面開挖至設(shè)計(jì)斷面尺寸，并將渠道邊坡及渠底的雜物等清理干凈，夯實(shí)整平，其主要目的是在復(fù)合土工膜鋪設(shè)時(shí)不損壞土工膜，且在渠道運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生較大的不均勻沉陷，確保土工膜的完整性，提高防滲性能;然后，在平整的渠道上鋪設(shè)復(fù)合土工膜（兩布一膜），其主要作用是防滲，同時(shí)也可以有效抑制雜草生長(zhǎng)，因?yàn)槿綦s草在格賓石籠中生長(zhǎng)過(guò)多，將造成渠道淤積嚴(yán)重且清淤困難;最后，鋪設(shè)格賓網(wǎng)籠并裝填塊石進(jìn)行渠道襯砌，可根據(jù)渠道斷面大小及流量大小合理確定格賓石籠襯砌厚度，肅州區(qū)清水河灌區(qū)渠道襯砌中渠道設(shè)計(jì)流量為2 m3/s，使用格賓石籠襯砌厚度為30 cm，其主要作用是用于保護(hù)復(fù)合土工膜不受損，并確保渠道不受沖刷影響，確保渠道正常運(yùn)行。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

在肅州區(qū)清水河灌區(qū)節(jié)水配套改造項(xiàng)目中，格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌技術(shù)方案在渠道襯砌中得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)肅州區(qū)清水河灌區(qū)已建成格賓石籠配合復(fù)合土工膜防滲襯砌渠道的運(yùn)行情況來(lái)看，柔性結(jié)構(gòu)的格賓石籠配合有較高抗拉強(qiáng)度和延伸性能的復(fù)合土工膜，能夠較好地適應(yīng)渠道基礎(chǔ)的凍脹及沉陷變形，經(jīng)過(guò)1個(gè)凍融周期的運(yùn)行，各渠道都能夠正常運(yùn)行，沒(méi)有產(chǎn)生凍脹破壞，取得了很好的效果。這充分說(shuō)明該技術(shù)方案能夠很好地適應(yīng)季節(jié)性凍土地區(qū)渠道凍脹破壞，具有典型的應(yīng)用意義。

6? ? 參考文獻(xiàn)

[1] 蘭景巖.渠道季節(jié)性凍土凍脹問(wèn)題及預(yù)防措施探討[J].黑龍江水利科技，2019，47（6）：143-146.

[2] 朱思遠(yuǎn)，陸立國(guó)，顧靖超.寧夏引黃灌區(qū)渠道砌護(hù)破壞原因分析與防治措施研究[J].節(jié)水灌溉，2011（4）：44-47.

[3] 劉學(xué)軍，張煜明.寧夏灌區(qū)渠道防滲襯砌工程防凍脹技術(shù)研究與應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2009，20（6）：98-102.

[4] 張國(guó)軍，陸立國(guó).影響襯砌渠道凍脹破壞嚴(yán)重的關(guān)鍵因素[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2012（9）：105-108.

[5] 霍凱成，黃繼業(yè)，羅國(guó)榮.路基凍脹機(jī)制及凍害防范整治措施探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（7）：1099-1103.

[6] 郝偉民.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[J].水利建設(shè)與管理，2018，38（8）：43-45.