新疆灌溉渠道防渗抗冻胀设计方法研究

刘玉军

（新疆水利厅金沟河流域管理处 塔城市 832100）

新疆地处亚欧大陆腹地，干旱少雨，水资源供需矛盾尖锐。农业用水量占总用水量的比例居高不下，缺水与浪费现象并存，如何提高农业水资源利用效率是制约新疆国民经济社会可持续发展的关键因素。渠系水利用系数是反映灌区水资源利用效率的重要指标。由于新疆属于严寒地区，混凝土渠道在冬、春之交存在着严重的冻胀破坏，导致渠系输水过重中渗漏十分严重。因此，结合阿克苏市阿依库勒干渠1#～4#号闸支、斗渠防渗工程的设计，提出新疆灌溉渠系防渗抗冻胀设计方法，旨在为同行提供参考[1-4]。

1 渠道纵断面设计

根据渠道规划布置方案确定的设计流量，综合考虑渠道沿线的地层岩性、地下水埋深、建筑材料分布、现状渠系建筑物和渠道稳定性等因素，尽量使渠道设计达到工程量最小。因阿依库勒干渠已改建完，拟防渗改建的渠道从干渠上引水，渠道首端高程已确定。现状渠道两侧多为树木和耕地以及居民住房，渠道为老渠改建，受耕地引水高程的限制，渠道纵坡不宜做大的调整，通过方案比选，力求达到以下要求：

（1）保证渠道输水安全、边坡稳定，满足渠道不冲、不淤流速，满足过水流量畅通无阻。

（2）渠道各渠段之间及建筑物上下游水面曲线平顺衔接，水力条件良好，水流稳定。

（3）力求占有耕地较少，工程量较小，施工运用管理方便。

2 渠道横断面设计

2.1 横断面型式选择

渠道断面型式可初步拟定为三种：U型渠道、弧形底梯形渠道和梯形渠道。由于弧形底梯形渠道较梯形渠道施工困难，本次渠道衬砌设计采用两种断面进行比选，即混凝土板衬砌U形断面、混凝土板衬砌梯形断面防渗。初步设计成果提交阿克苏地区水利局后，水利局于2008年12月12日组织专家对初步设计成果进行审查，参会专家根据阿克苏地区近几年在渠道防渗改造实际运用中的调查总结，一致认为梯形渠道施工方便，使用过程中运行管理方便，渠道破损后易于维修养护。设计组根据专家组对初步设计成果的审查意见，对两个方案的优缺点和投资等因素进行了进一步的比较，虽然U型渠道投资较梯形渠道节省，但差别较小，结合梯形渠道易于施工、方便管理、易于养护维修等优点，本次设计推荐梯形渠道断面。

2.2 渠道边坡系数的确定

本工程共5条渠道，由工程地质报告可知，其中1#闸一支渠、2#闸二支渠 0+000-0+160.21段、4#闸一支干渠0+000-0+350段的渠基土岩性均为角砾，建议渠道边坡系数1∶1.75～1∶2.0。其余各段渠道的渠基土岩性均为低液限粉土，建议渠道边坡系数1∶1.5。由于渠基土岩性为角砾的渠道长度较短，施工时要经过夯实，其稳定性增强，为方便施工将其边坡系数调整为1∶1.5。按国家标准《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）表 6.1.19、表 6.1.22 规定，并参考已建工程，确定采用梯形断面的混凝土板衬砌方案边坡系数m=1.50。

（1）防渗设计。

根据本工程地质报告，渠道沿线地层岩性主要由粉土质砂及低液限粉土、粘土组成，具微透水性、中等透水性和强透水性，特别是填方渠堤质量差，渗漏较严重，应采取防渗措施。一般防渗材料有混凝土、塑膜、粘土等，随着近几年的工程实践证明，用混凝土板作为防渗材料，有很好的防渗效果，而且使用寿命较长。

（2）防淤、防冲设计。

渠道从老大河上引水，水中含沙量大，老渠道渠线不顺畅，纵坡缓，杂草丛生，糙率大，所以在流速较小的渠道淤积较严重。本工程解决淤积的措施主要是通过渠线裁弯取直，改善水力条件；纵断面设计时在保证灌区引水高程的前提下，尽量增大渠道纵坡；采用混凝土板护面，减小渠道糙率。通过以上工程措施，基本上可以解决渠道淤积问题。

本次工程渠道设计流速为（0.61～1.89）m/s，由工程地质报告可知，渠床土质多为低液限粘土或粉土层，其允许不冲流速根据《渠道防渗工程技术规范》（SL18-2004），可按下式计算：

V——渠道允许不冲流速；

V0——水力半径R=1m时，渠道的不冲流速，取0.6m/s；

R——渠道水力半径，取V=0.72m/s时，R=0.345m；

α——系数，密实的壤土、粘土取，1/4。

由以上计算公式可知，渠基土的最大允许不冲流速为0.46m/s，小于渠道的设计流速，不能满足渠道抗冲刷要求。因此，应采取防冲刷措施。混凝土预制板防渗渠道的允许不冲流速小于2.5m/s，现浇混凝土板防渗渠道的允许不冲流速为4m/s，均大于渠道设计流速，因此，本工程防冲护面型式采用混凝土板。

3 渠道防冻胀设计横断面设计

3.1 设计原则

本工程共5条渠道，由工程地质报告可知，其中1#闸一支渠、2#闸二支渠 0+000-0+160.21段、4#闸一支干渠0+000-0+350段的渠基土岩性均为角砾，勘察期间未揭露地下水，不采取防冻胀措施，其余各段渠道的渠基土岩性均为低液限粉土，属于冻土，需要采取防冻胀措施。本渠道在设计上采用以下工程措施以削减冻胀：将渠底冻胀土置换为非冻胀材料；尽量采用填方渠道。

3.2 设计冻深的确定

由工程地质报告可知，工程所在地历年最大冻土深度为0.62m，选最不利的渠道4#闸一支干渠做为典型渠道进行计算。根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211—2006），设计冻深按下式计算：

式中Zd——设计冻深（m）；

φf——冻深年际变化的频率模比系数；

ψd——日照及遮荫程度影响系数；

ψw——地下水影响系数。

3.3 现状冻胀量的确定

按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211—2006）附录C的C.0.2条，粘砂性土的地表冻胀量查图C.0.2-1得到边坡地表冻胀量△h1=70mm，底部地表冻胀量△h2=65mm，根据表2.0.8土的冻胀性划分标准，渠道边坡及渠底中部为Ⅲ级。

3.4 抗冻胀方案比选

对冻胀土基可采用基土换填法或基土保温法等措施进行处理，对此做两种方案比选：方案一是基土换填法，一般常用砂砾料和风积沙两种土料，由于灌区内部基本上没有风积沙料场分布，而砂砾料分布很广且储量大，经取样分析满足设计要求，选用砂砾石防冻层；方案二是基土保温法，采用苯板保温防冻层。

（1）方案一：基土换填法（砂砾石）防冻层设计。根据现状调查，本项目区内部有大量天然戈壁料场分布，运距近，储量十分丰富，且符合换填材料的指标要求，可用来做为抗冻胀材料。

换填深度根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL 211-2006）（7.4.1）公式计算确定：

式中Z n——置换深度（m）；

ε——置换比（%）；

Zd——置换部位的设计冻深（m）；

δ0——衬砌板厚度（m）。

渠底和渠坡的置换比是根据渠道规模、走向、地下水埋深和土质不同综合分析按规范中的表7.4.1确定，渠底按60%置换，边坡按50%置换，计算渠底置换Z n=0.41m，边坡置换Z n=0.34m。根据当地已成功的工程经验，确定渠底置换50 cm，边坡置换为（40～50）cm。

（2）方案二：基土保温法防冻层设计[5、6]

基土保温法是通过消除基土冻胀过程中的负温因素，从而避免渠道冻胀破坏的发生，渠道工程中通常采用聚苯乙烯泡沫板。根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL 211—2006）中第7.4.3条对保温板的厚度要求：中小型渠道，采用聚苯乙烯板保温时，其厚度可取设计冻深 Zd的 1/10～1/15，即（11～7）cm，根据气候特点，结合当地工程的成功经验，取苯板厚度为6 cm。经市场调查，阿克苏市苯板价格：250元（15 kg/m3），280 元（18 kg/m3），根据规范要求，渠道保温苯板密度为（18～20）kg/m3，本工程取 18 kg/m3。

（3）方案优选。

对砂砾料及苯板两种抗冻胀设计方案，分别从投资、施工及当地建材应用等方面进行比较。方案一具有土方填挖量较大、施工工艺简单的特点，可以充分利用当地天然建材，扶持当地砂石料筛分企业，而且工程投资较小。方案二虽土方填挖量较小，但工程投资较大，施工工艺复杂，从附表可看出，方案二比方案一防冻设计投资高6.52万元/km，综合考虑渠道防冻垫层推荐方案一。

附表 防冻设计方案经济比较表

3.5 工程实施以后基土冻胀量评估

基础下的基土（砂性土）冻胀量按《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL 211—2006）中式（C.0.3）计算，计算如下[7]：

式中 △h’——基土冻胀量（mm）；

αp——荷载修正系数，计算得αp=0.7189；

β——查表得β=0.003；

p——计算点地基的荷载强度，为120 kPa；

Zb——基础下的设计冻深（m）；

Zd——设计冻深（m）。

经计算基础下的基土冻胀量：道边坡为3.75mm；渠底中部为3.83mm均满足规范要求。

4 结 语

在渠系规划布置中，虽然注意了选用较优的渠线，但要完全避开地质条件差的地段，则难以办到，故需改善其工程地质及水文地质条件。如采用泡水压实法即使松散，多孔隙的土层预先得到湿陷，变得较密实和稳定，使渠床土壤密实和稳定，以减轻冻胀变形。同时，可以查出渠床的洞穴、滑坡、塌方等隐患，并可以及时处理。所以，渠道在设计环节可以缓解渠道输水下来率低下的形势，但要进一步提高输水率则需要从渠系规划做起。

1 郭忠.大型渠道混凝土衬砌防渗中机械化成型技术的研究[D].南京：河海大学，2006.

2 McKinney D C.Cai X.Linking GIS and water Resource management models：an method an obj-ectoriented method[J].Environmental Model-ing and Software，2002，17（5）：413-425.

3 毛德华，等.西北地区水资源与生态环境问题及其形成机制分析[J].自然灾害学报，2004（4）：55-61.

4 粟晓玲，康绍忠.干旱区面向生态的水资源合理配置研究进展与关键问题[J].农业工程学报，2005（1）：16-172.

5 余书超.保温型刚性护面渠道设计[J].农田水利与小水电1993（11）：33-36.

6 余书超.一种理想实用的防冻保温层[A].第五届全国冰川冻土学会论文集[C].1996：303-306.

7 王俊发，马旭，周海波.混凝土衬砌渠道冻胀破坏的机理及力学分析[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2006（2）：25-28.