大安灌区总干渠工程的防冻胀措施

赵 云 李 鹏

（吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林长春 130021）

1 工程概况

大安灌区总干渠为灌区主要输水渠道，全长28.174km，渠首设计流量为 63.08m³/s，渠道底宽由 26m渐变至 10m。原设计衬砌型式为渠坡采用现浇8cm厚PP纤维混凝土板，板块尺寸为1.5×1.0米（顺水流向为 1.5米，宽为 1.0米)进行衬砌，采用现浇35cm×25cm（深×宽）混凝土底梁固脚，封顶采用30cm×20cm（宽×厚）混凝土板，并与渠坡现浇PP纤维混凝土板相垂直。板块间采用聚乙烯闭孔泡沫板嵌缝，缝宽1.0cm，底梁每3米设一道伸缩缝，缝间采用硬质聚乙烯闭孔泡沫板嵌缝，缝宽2.0cm。板下部铺二布一膜，规格为（150g/m2∶200g/m2∶150g/m2），渠底不进行衬砌。PP纤维混凝土板、底梁和封顶混凝土强度等级均为C20，抗冻等级为F200。

2 总干渠冻胀情况

总干渠衬砌工程自2011年10月1日开工后，到2011年10月末，共完成了约11公里（双侧一共）。其中深挖方或全挖方渠道总长13744m，桩号 3+708-10+580，已施工完成了 5140m，分别位于水流向左侧(南坡)3+708-3+908、4+308-5+924、6+400-7+414、7+646-8+234、9+139-10+100；右侧(北坡)：9+139-10+100。到2012年 3月中旬，发现深挖方段或全挖方段的衬砌板块（渠坡下部1～4块部位）出现不同程度的隆起错缝现象。根据现场发生的情况，对总干渠冻胀原因进行分析，并采取防冻胀措施，以避免2012年冬季再发生类似的冻胀变形，造成不必要的浪费损失。

3 地质情况

3.1 地形地貌

本区地貌按成因类型及形态分为：人工堆积地形(I)、局部沼泽化微波状岗地(II)及微波状岗地（III）。

人工堆积地形（I）：地面高程 132.0～137.0m，主要分布于公路、铁路和已有人工渠道人工堤处。

局部沼泽化微波状岗地(II)∶地面高程128.0～134.8m，地面平坦开阔，局部地方略低形成较浅洼地，形成积水。分布于该工程区内大部分地区。

微波状岗地（II）：地面高程 131.20～138.40m，地表微波状起伏，宽度较大，分布呈岛状、条带状，部分已形成浅碟型低洼地。

3.2 地层岩性

灌区揭露地层有第四系全新统人工堆积地层（Q4S）及第四系上更新统冲积堆积地层（Q3gal）和第四系中更新统湖积堆积地层（Q2dl）。

3.3 水文地质

工程区内工作深度范围内地下水主要类型有上层滞水和第四系孔隙潜水。上层滞水主要赋存于上部含砂细粒土(2-2)和(3-2)层中；孔隙潜水含水层为第四系中更新统湖积堆积的细粒土质砂(3-3)层中，受大气降水补给，侧向径流向嫰江、查干湖及月亮泡排泄及越层补给孔隙承压水。勘察期地下水位高程在125-131m。

3.4 工程地质评价

干渠3+708-7+416m多数为挖方段，少数为半挖半填段。设计提供进水口处渠底板高程133.18m，渠顶高程 137.65m，基础大部分坐落在第四系上更新统冲积堆积黄土状低液限粘土(2-1)层中，局部坐于含砂细粒土(2-2)层中。边坡岩性为黄土状低液限粘土(2-1)。

建议考虑水深和流量选定稳定边坡，边坡高大于3m坡度相应放缓，并防止冻胀、冻融和雨水破坏，需设置防护措施。

3.5 结论

大安灌区干渠地下水为第四系松散岩层孔隙潜水，勘察期地下水位高程在 125-131m，普遍低于渠底高程133m。

该段渠道坐落在微波状岗地上，地层岩性为第四系上更新统冲积堆积黄土状低液限粘土。该渠段土质具有冻胀、冻融和雨水冲刷破坏的性质。

4 防冻胀措施设计

4.1 渠道冻胀原因分析

经现场勘察，产生变形破坏的主要是全挖方段或深挖方段的渠堤下部，即自堤脚处的1-4块板不同程度隆起，而且板块自身没有裂缝断开现象。从工程地质说明看，总干渠地下水为第四系松散岩层孔隙潜水，地下水位高程在125-131m，普遍低于渠底高程 133m，地下水位没有高过渠底；因此，造成渠堤土冬季产生冻胀引起混凝土板变形的主要原因，是渠道通水运行后，堤土因长期浸泡含水量高，处于饱和状态，在秋季施工前没有足够时间将堤内存水降到含水量，从而产生冻胀现象。因总干渠为一干渠试验区灌溉输水已经两年，运行水深在3m左右，下游二干、三干目前不具备通水运行条件，所以，总干渠秋季放空时只能经过一干渠将水排入龙泉泡内。但是，一干渠进水闸闸底板高出总干渠渠底 0.5m，造成总干渠冬季存水。2011年秋季开工建设总干渠防护工程，计划工期两年，即2011年10月1日到11月5日，和2012年4月2日到30日完工。工期紧张，施工强度高。工程招标施工队伍进工地后，9月24日总干渠内依然有存水近0.5m，建设管理单位组织人员和机械设备进行强排，约7天后排干。10月1日正式开工建设。虽然地下水位在渠底下 3-9m，但是渠堤内水的渗透系数小，水位降落缓慢，秋季日蒸发强度3mm/d，所以，只有表层土含水量有所降低。

经过冬季四个月(12月到次年3月)，挖方段渠身受到侧向水的补给后，汇到渠堤坡脚处出逸，造成冻胀破坏。

4.2 防冻胀计算

本区为季节性冻土区，一般10月底土层开始冻结，至3月达最大值，历年最大值为2.30m，4月开化，5月中、下旬化透。同一地点，不同年份的最大冻土深度相差较大。

工程区标准冻深冻土深度为2.0m，依据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23－2006）（以下简称《规范》）和《水工建筑物抗冻胀设计规范》（SL211-2003）要求，对项目区混凝土衬砌渠道进行抗冻胀计算。

（1）设计冻深计算

本次选取衬砌方案为换30cm砂砾料进行计算，依据《规范》渠系工程设计冻深可按公式①计算：

式中：Zd—渠系工程设计冻深（cm）；Zm—历年最大冻深，取2.0米（cm）；ψd—考虑日照及遮阴程度的修正系数（ ψd= α + ( 1 - α )ψi），α取0.76，ψi取1.05，经计算ψd为1.012；ψw—地下水影响系数，见《规范》附表；Zwi—计算点的冻前地下水位深度，以渠底换基深度 0.3米为基准，往上依次增加；Zwo—临近气象站冻前地下水位埋深（m）。

该灌区地表为连续分布的黄土状粘土和黄土状壤土，厚度稳定，渗透系数平均值分别为1.14×10-5cm/s和2.94×10-5cm/s，属相对不透水层，地下水位埋深多大于 3m（见《大安灌区初步设计报告》）。β—系数，查《规范》取0.79。

（2）冻胀量计算

基础结构下冻土层产生的冻胀量hf依据《规范》，可按公式②计算：

式中：Zf—基础下的设计冻深（m），由于基础板厚度小于0.5米，按下列公式计算：

式中：δc—基础板厚度（m），取 0.08m；δw—基板之上冰层厚度（m），取0；h—工程地点天然冻土层产生的冻胀量（cm），查《规范》图 3.2.2-3细粒土质砂、含细粒土砂冻深与冻胀量关系曲线；hf—基础结构下冻土层产生的冻胀量（cm）。

经计算，渠道下部的第一块板，虽换填处理后，但仍有8.3cm冻胀变形，第二块板有4.89cm冻胀变形，第三块板有4.34cm冻胀变形，到第四块板以上的变形会逐渐变小，从 1.96cm到0.98cm，满足抗冻胀规范允许变形的要求。

（3）计算结果汇总

换基后渠道各部位冻土层冻深及冻胀量计算结果详见表1。

4.3 防冻胀措施

本次防冻胀设计内容为总干渠衬砌工程（0+000～11+124）中半填半挖段，桩号3+708-

10+580，段长6872m，两侧总长13744m，因2011年冬季已施工了5140m，虽发生了冻胀破坏，但随着天气的变暖土层融化，大部分隆起的板块得到恢复，少部分板块需要拆除后重新铺设，渠道整体的运行能够满足日常灌溉的要求。

总干渠每年于8月20停水之后，由于当地土质为低液限粘土，渗透系数小，为1×10-5cm/s，渠道挖方段及半填半挖段内的水不易排空，为消弱冻胀，同参建各方商议后，决定采取增设排水体加排水孔来将渠堤内的水排出。即将渠道堤脚位置以上4块板下的渠基进行换填处理，换填材料采用30cm厚级配良好的砂砾石，且每块板内设置一处D100排水孔，排水孔长0.18米。总干渠防冻胀措施见图1。

5 结论与建议

经过一年运行，总干渠未再发生冻胀破坏情况，确定衬砌渠道的冻胀量与计算值差距不大，是符合实际的。

从长远来看，采取置换措施解决防冻胀破坏是比较安全可靠的，但投入较大，因此建议根据冻胀实际情况，对发生冻胀破坏的位置进行置换，并辅助其他排水措施，综合解决渠道冻胀破坏。

表1 砂砾料换基后渠道各部位冻土层冻深及冻胀量计算表

图1 总干渠防冻胀措施设计图