农十师183团东场支渠防冻胀破坏及治理措施

雷佳予

(新疆兵团农十师勘测设计院，新疆阿勒泰 836000)

农十师183团东场支渠防冻胀破坏及治理措施

雷佳予

(新疆兵团农十师勘测设计院，新疆阿勒泰 836000)

渠道防渗衬砌冻胀破坏的主要影响因素有渠床土质、冻土深度、地下水埋深、衬砌结构形式及材料等。本文根据当地实际情况，结合冻胀计算结果，指出选择合理衬砌材料、衬砌结构、衬砌断面形式，同时应用防渗材料、换填非冻胀性土、隔热保温等削减或适应冻胀的措施，可以有效防治渠道冻胀破坏。

冻胀破坏;抗冻胀措施;冻胀量;衬砌渠道

1 基本概况

1.1 自然环境概况

183团地处新疆北部的阿勒泰地区福海县境内，多年平均气温4.1℃，极端最高气温40.5℃，最低气温－46.7℃，最大冻土深1.8m，无霜期142天。该地区施工时间，一般都在5～10月底，春秋两季施工时需要预防寒冷天气，准备防冻设施。

东场一支渠位于183团东场以北片区，即216国道以北、额尔齐斯河南岸，该区地势比较低，国道以南灌区地下水向国道以北一支渠片区渗流，造成该区地下水位比较高。一支渠长5.07km，控制灌溉面积466.67hm2。

1.2 取样分析

根据一支渠取样，进行颗粒分析报告可知，一支渠1+345～3+250段渠床和渠基取土样中粒径小于0.075mm的土粒含量按重量比大于总土重的10%。依据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 211—2006)，渠床土质属于冻胀性土质，渠道设计、施工应考虑抗冻胀措施。

1.3 破坏因素分析

根据调查，该衬砌渠道冻胀破坏主要因素与渠床土质、土体密度、气温、地温、冻土深度、冻胀量、地下水位、渠道走向等有关。

针对破坏因素进行分析，本地区衬砌结构发生冻胀破坏的形式主要有裂缝、隆起、断裂、滑塌等，由于该区地下水位比较浅，在持续低温作用下，衬砌结构下部基土中水分冻结，体积增大，土体受到膨胀上涨。在混凝土衬砌板下部，产生一种胶结力，称为土与混凝土板之间的冻结强度［1］，使得混凝土衬砌板与紧接其下部的冻土层表面紧密粘结，导致混凝土衬砌板阻止冻土层的膨胀上涨变形，当冻胀产生的土应力达到混凝土极限强度时，混凝土衬砌板首先发生破坏，即勾缝发生裂缝，随着冻土层的变形继续增加，相继发生隆起、断裂、滑塌。

2 抗冻胀计算

平面布置上，一支渠渠线走向接近EW，灌区属于中温带，根据气象资料，灌区最大冻土深度1.80m。根据渠道沿线地层剖面揭露情况，渠线穿越的地层主要为低液限黏土，粉质含量占40%以上，为冻胀土。因此，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 211—2006)的要求，进行冻胀深度和冻胀量的计算，为渠床结构的处理提供定量依据。

2.1 设计冻深

依据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)公式(3.1.3)计算设计冻深。一支渠设计冻深计算成果见表1。

表1 一支渠设计冻深计算成果

2.2 基础设计冻深

基础设计冻深指计算点自底板底面算起的冻深，依据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)，当δc≤0.5m 时，按公式(3.1.6－4)计算：

式中 Zf——基础设计冻深，m;

Zd——工程地点的天然设计冻深，m;

δc——基础板厚度，m;取值为 0.06m;

δw——底板之上冰层厚度，m，灌区冬季不运行，故取值为0。

由以上公式计算得：阴面Zf=1.77(m)、阳面Zf=1.25(m)、渠底 Zf=1.59(m)。

2.3 地基土冻胀量

基础下土的基土冻胀量依据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)公式(3.2.3)计算。计算结果见表2。

表2 支渠基础冻胀量计算成果

2.4 渠道冻胀量及置换深度

根据渠道各部位地下水位埋深及设计冻深，查图得渠道各部位冻胀量及冻胀级别，具体见表3。

表3 渠道冻胀量及冻胀级别

渠道衬砌结构为梯形预制混凝土板渠道，根据规范，梯形渠道混凝土衬砌结构允许法向位移值为0.5～1.0cm，由上表可以看出，渠道冻胀量超出规范允许值，属于冻胀土，需考虑工程措施抗冻胀。

渠道常用冻胀土基的处理方法有换填非(弱)冻胀性土和设保温层法。ⓐ换填非冻胀性土。据本地区渠道防渗运行实践证明，采用戈壁料、粗砂、砂砾石等换基是一种广泛适用于防治各种冻胀级别的有效措施;ⓑ设保温层法。采用隔热材料，如：聚苯乙烯泡沫板或其他特殊衬砌结构，对基土进行保温以消除或减轻冻深是渠道防渗冻胀衬砌中的另一项有效措施。

根据183团当地经济条件和现有材料，采用砂砾石作为防冻胀置换料，具有砂砾料丰富、可就地开采、抗冻胀效果好、施工简单和造价较低等特点。采用设保温层法，即加设聚苯乙烯泡沫塑料作为防冻胀材料，具有抗冻胀效果好、运距远、施工要求精度高等特点。结合项目取材和经济条件，对渠道采用砂砾石料作为防冻胀料。

渠床置换厚度计算依据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)公式(5.1.5)计算。渠床置换深度计算结果见表4。

表4 渠床置换深度计算

上述计算中，均按最不利工况进行计算，一支渠1+345～3+250段当初设计时未做过换填土，筑堤土料及渠基土料为低液限黏土，冻胀破坏严重。

3 抗冻胀措施

根据以上计算结果，并考虑到方便于施工及防冻胀料就地取材等因素，采取以下主要抗冻胀措施：

a.换填措施。主要是换填非冻胀性土，即换填砂砾石料。新疆的试验结果表明，渠道基土换填砂砾石料时，可极大地降低渠道冻胀量。由于一支渠渠道断面比较小，渠深为0.75cm，考虑施工方便和使用效果，对其进行全断面换填，用非冻胀性土换填现有渠基冻胀土。渠边坡及渠底均采用1.2m含土砂砾石作为防冻胀措施。

b.选择抗冻胀结构(刚性结构、柔性结构)。渠道设计流量为0.5m3/s，根据当地施工经验，采用抗冻胀效果好的U形渠槽施工比较困难，根据设计渠道断面，底宽为0.40cm，渠深为0.75cm，采用常用预制混凝土板梯形断面。柔性较好的衬砌主要为预制混凝土板衬砌，在基土冻胀作用下，容易适应基土冻胀变形，而不发生混凝土板结构破坏。

c.隔水、排水措施。根据当地渠道防渗经验，隔水措施主要采取塑膜、土工布等，减少渠道渗漏对基土的补充;排水措施主要是渠底、渠坡砂砾石反滤层内埋设排水暗管，渠堤外侧开挖排渠等。设置的排水措施，对降低渠基土壤含水量效果显著。本项目设计主要对衬砌断面用塑膜隔水;排水措施主要是沿渠道纵向在渠底砂砾石滤层中埋设暗管，在渠道一侧洼地将暗管内的集水排出渠堤，降低渠床基土的含水量。在设计冻深底部沿支渠走向埋直径30cm、长2.10km的排水花管，将渠底集水排入附近排渠，花管外包裹一层无纺布［2］。

4 实施效果

该工程于2010年秋季施工完成，经过近两年运行效果分析，工程运行良好，没有再出现衬砌渠道被冻胀破坏现象，说明该工程防冻胀处理措施得当且合理。根据水管运行人员统计分析，年直接可节约灌溉用水量169万m3，为当地职工节约了灌溉成本。同时，该工程的实施，为当地衬砌渠道冻胀破坏处理提供了有效试验资料，为同类工程提供了设计、施工依据，工程实施效果显著。

1 童长江，管枫年．土的冻胀与建筑物冻害防治［M］．北京：水利电力出版社，1985：28-31．

2 徐杰．新疆地区渠道衬砌混疑土抗冻胀设计［J］．陕西水利，2012(02)：92-94．

Anti-frost Expansion Damage and Control Measures for Tenth Agricultural Division 183 Regiment Dongchang Branch Ditch

LEI Jia-yu
(The Tenth Agricultural Division of Xinjiang Corps Survey and Design Institute，Alta836000，China)

Main influence factors of channel impermeable lining frost expansion damage include channel bed soil quality，permafrost depth，groundwater depth，lining structure and materials，etc．The paper combines frost expansion calculation results on the basis of local conditions to indicate that choosing proper lining materials，lining structure，lining section form and the application of impermeable material，replaced filling of non-frost expansion soil，thermal insulation and other measures to reduce or adapt frost expansion can effectively prevent frost expansion damage．

frost expansion damage;anti-frost expansion measures;frost expansion amount;lining channel

TV91

B

1005-4774(2013)08-0060-03