新疆孔雀河灌区渠道衬砌工程抗冻胀模式及应用浅析

申 莲

(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆 库尔勒 841000)

新疆孔雀河灌区渠道衬砌工程抗冻胀模式及应用浅析

申 莲

(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆 库尔勒 841000)

冻胀是造成衬砌渠道破坏的主要因素，同时抗冻胀问题处理也是渠道工程建设中的重点和难点。探讨渠道冻胀破坏机理，通过应用和试验，分析适宜新疆孔雀河灌区渠道抗冻胀的基土置换垫层、隔热保温、优化结构等几种模型的优缺点，认为采用聚苯乙烯保温板抗冻胀措施宜全面推广。

渠道衬砌;抗冻胀措施;孔雀河灌区

孔雀河灌区位于孔雀河流域中游地区，地处新疆巴音郭楞蒙古自治州中部。其气候特点是光热资源丰富，温差大，降雨少，蒸发强烈，属暖温带大陆性荒漠气候。多年平均降水量 53.3～62.7 mm，多年平均蒸发量 2 273～2 788 mm，平均相对湿度为45～47%，多年平均气温 11.5℃，夏季炎热，极端最高气温达43.6℃，冬季寒冷少雪，1月份平均气温 －9.4℃。全年以晴天为主，日照时间长，太阳辐射能量多，昼夜温差大。多年平均日照时数3 036.2h，大于10℃的年积温4 000℃以上，无霜期191 d，最大冻土深度0.8 m。孔雀河灌区是巴音郭楞蒙古自治州的重点农业发展区域，该区地势平坦，地下水位高，属大陆性温带荒漠干旱性气候。复杂的地质构造和严酷的气候条件，使渠道冻胀破坏现象较为严重。

1 冻胀破坏机理

根据新疆孔雀河灌区多年已建成渠道的运行观察，渠道变形主要是冻胀破坏。基土发生冻胀的基本条件是负温、土质和水分，负温是基土发生冻胀的外因，土质和水分是基土发生冻胀的内因。一般而言，土中粒径小于0.05 mm的土粒大于总土重6%的土为冻胀性土，基土冻前含水量不大于塑限含水量加2%便会发生冻胀。另外土体在冻结过程中不仅初始冻结面的水分冻结膨胀，而且未冻区的水分在表面张力和毛细管作用下向冻结区迁移，水分迁移使冻结区的含水量剧增，导致冻胀加剧。随着冬季气温的不断下降，冻结深度不断加大，水分迁移不断进行，土体的膨胀量与对衬砌体产生的冻胀力也相应不断增大，当冻胀力超过刚性衬砌体的结构强度时，衬砌体便产生法向位移，法向位移超过容许法向位移，衬砌体便遭到冻胀破坏。渠道防渗衬砌形式主要有混凝土预制块衬砌、混凝土现浇衬砌和砌石衬砌3种形式。根据多年观测，渠道的冻胀破坏主要有鼓胀及裂缝、隆起架空、滑塌、整体上台等4种形式。

2 抗冻胀模式分析及应用

渠道冻胀破坏是衬砌体与基土冻胀性膨胀相互作用的结果，新疆孔雀河灌区渠道衬砌中适宜的抗冻胀模式主要是:基土置换垫层、隔热保温、优化结构等。

2.1 基土置换垫层

用非冻胀性材料置换一定厚度的冻胀性土，则可将渠道衬砌体的冻胀变形控制在容许的范围之内，从而避免渠道的冻胀破坏，目前采取的置换材料主要是砂砾石。基土置换厚度的确定是置换措施成败的关键，《水工建筑物抗冰冻设计规范(DL/T5082－1998)》中为设计人员提供了计算公式及公式中各种参数的取值范围和确定方法，下面对计算结果的使用作详细的阐述。

2.1.1 计算置换厚度

在同一地区对不同的土质和地下水埋深分别进行计算，对结果进行对比后发现当土质相同地下水埋深不同时，并不是地下水埋深越小，计算置换厚度越大，而是存在地下水埋深对冻胀无显著影响的临界值。地下水埋深在临界值附近时计算置换厚度最大，地下水埋深大于临界值时计算置换厚度较小且与地下水埋深无关，地下水埋深小于临界值时计算置换厚度随着地下水埋深的变小而减小。因此高地下水位地区渠道冻害较严重，但并不是地下水埋深越浅渠道冻害越严重，而是地下水埋深在临界值时渠道冻害最严重，采用置换法时所需的置换层厚度最大。

2.1.2 设计置换厚度

用公式计算所得的垫层置换厚度不宜直接作为工程设计置换厚度，应根据工程的一些具体情况对厚度加以适当调整再作为垫层设计置换厚度。规范推荐的计算公式没考虑渠道的填挖情况和渠道是否受田间回归水的影响，工程实践和理论分析均表明填方渠道冻害较轻而受田间回归水影响的渠道冻害严重。

2.1.3 置换措施的优缺点

用砂砾垫层置换冻胀性土是目前新疆孔雀河灌区最常用的抗冻胀措施，具有设计施工经验丰富、已为大家接受的优点，但置换工作量大。从经济上考虑，只适用于渠道附近有较丰富的非冻胀性土的地方，且应保证置换层在冻结期不饱水和防止在使用期间不受大量的细颗粒污染。

垫层料常选用含泥量小于6%的砂砾石，也可考虑用中粗砂代替砂砾石作置换层。砂垫层宜在冻害较轻的填方渠段使用，避免在受田间回归水影响的渠段使用;与砂砾石垫层相比垫层厚度要适当加大。

对渠道开挖高程低于地下水位的渠段，置换层在冻结期因被水浸泡而失效，因此垫层置换法在这种渠段不宜采用。对受田间回归水影响的渠段置换层易被细颗粒淤塞而缩短工程寿命，应设置防滤层或土工织物对垫层加以保护。

2.2 隔热保温

在渠道刚性衬砌体下面铺设一层受力变形小、隔热性能优良的保温材料，便可削减或消除渠床基土在冬季的冻胀变形，避免渠道的冻胀破坏。最适合在渠道上使用的新型保温材料是聚苯乙烯泡沫板。

2.2.1 聚苯乙烯保温板抗冻胀的性能

具有较好的隔热性能，其导热系数≤0.04 W/(m·℃)，在渠道混凝土下铺设一层聚苯乙烯泡沫保温板代替砂砾石垫层，冬季能有效地阻止基土温度的降低，避免和减轻基土冻胀变形。

2.2.2 聚苯乙烯保温板抗冻胀的优缺点及适用范围

其在工厂集中生产，质量容易控制，埋在地下不受污染，不易变质，几乎适用于任何地质条件。同置换法相比，保温法具有施工方便、适用范围广、工程寿命长等优点，应优先选用，此外与置换法相比在非冻胀性土不丰富的地区也具有明显的经济优越性。

2.2.3 聚苯乙烯保温板在渠道抗冻胀中的应用

希尼尔水库位于新疆库尔勒市西尼尔镇境内，水库进水渠设计引水流量为30 m3/s，加大流量35 m3/s，为梯形断面结构，渠道底宽2 m，内、外边坡均为 1:1.5，渠深 4m，采用混凝土衬砌(厚度15 cm)与苯板保温结构(厚度10 cm)。

1)渠道沿线自然条件

(1)土质条件。渠线地层以粉土和粘土为主，渗透性能较差，毛细管上升运动强烈。根据地质报告，渠线地层小于0.05 mm 粒径的颗粒含量 22.6% ～65.5%，由于小于 0.05 mm粒径的颗粒含量按质量比大于总质量的6%，属于强冻胀土。

(2)气候条件。该地区多年平均气温10.5℃，一月份平均气温 －10.4℃，最大冻土深度 0.8 m。

2)苯板保温层设计

苯板保温层厚度按SL211－98《水工建筑物抗冻设计规范》，中小型渠道采用聚苯乙烯板保温时，其厚度可取设计冻深的1/10～1/15。希尼尔水库进水渠设计流量为30 m3/s，属中型工程，本工程设计冻深为80 cm，则苯板厚度为5～8 cm。考虑到苯板受上部衬砌混凝土荷载作用，有效厚度会减小，故全断面取苯板设计厚度为10 cm。

3)渠道运行情况

希尼尔水库进水渠自2003年3月中旬投入运行以来。经过多个冬、春观察，渠段基土均为正常，渠道衬砌混凝土板未发现凸起、错位、倾斜等冻胀破坏现象，达到了工程设计预期目的。

2.3 优化结构

近几年来在孔雀河灌区节水工程中，干、支渠道断面大多采用弧底梯形断面形式，斗、农渠断面多采用 U形渠槽的断面形式，与梯形断面相比，弧形断面、弧底梯形断面具有较大的容许法向位移，采用这两种断面形式可减轻渠道的冻胀破坏。

3 讨论

本文前述了孔雀河灌区渠道衬砌中适宜的抗冻胀模式:基土置换垫层、隔热保温与优化结构。由于新疆孔雀河灌区部分干渠沿河布置，平行且靠近河道的渠道地下水位很高，土渠内有明显的潜流渗出。在干渠衬砌中，为了解决既要开源节流又防止渠道冻胀等问题，可以尝试采用混凝土异型砖透水断面结构形式进行衬砌的试验应用。采用透水衬砌方式，可解决高标准衬砌渠道既要引取地表水和二次回归的地下水又要防冻胀的双重问题。

4 结语

在各种抗冻胀措施中，置换措施虽然应用最广泛，但渠道受田间回归水影响时置换层易被细颗粒淤塞而缩短工程寿命，在非冻胀性土缺乏的地区采用这种方案工程造价也相对较高。聚苯乙烯保温板防冻胀是新兴的抗冻胀措施，具有适应面广、投资适中、施工方便、使用寿命长等优点，在非冻胀性土缺乏的地区与置换法相比保温板方案在经济上也具有明显的优越性，易进行全面推广。

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1004－1184(2012)05－0167－02

2012－06－21

申莲(1978－)，女，新疆库尔勒人，工程师，主要从事水利工程运行管理工作。