格宾石笼配合复合土工膜防渗衬砌技术在季节性冻土区渠道衬砌中的应用

杨正江

摘要    衬砌渠道中的冻胀破坏一直是渠道施工及运行管护的重点，尤其在季节性冻土地区冻胀是渠道破坏的主要表现形式。近年来，随着技术的不断发展，衬砌渠道冻胀破坏的防治取得了很大进展。本文分析了渠道冻胀破坏的原因，结合肃州区清水河灌区节水配套改造项目的实施，比较了多种防冻胀措施，并根据实际工程提出了格宾石笼配合复合土工膜防渗衬砌技术，在肃州区清水河灌区渠道衬砌中运用该技术取得了较好的效果，认为该技术方案在季节性冻土区域渠道衬砌中具有典型意义。

关键词    格宾石笼;土工膜防渗;季节性冻土;渠道衬砌

中图分类号    TV67;TV52        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）24-0130-01                                                                                      开放科学（资源服务）标识码（OSID）

季節性冻土是指土壤受到气温的影响，在冬季冻结而夏季全部融化的冻土[1]。由于土壤在冻结时往往会发生土壤体积增加，从而发生冻胀现象，而在春季土壤解冻，土壤内的冰晶体逐渐融化，使土壤内的含水量增加，土层软化，强度降低，引起建筑物沉陷、开裂等破坏。在我国50%以上的国土面积都有季节冻土分布，冻土现象严重影响工程设施运行的稳定及安全，因而在工程建设中必须要引起高度重视，采取有效的防治措施。

近年来，受中央及地方财政支持，肃州区清水河灌区节水配套改造项目经酒泉市水务局批准建设。该建设项目的主要建设内容为改建干支渠道21.6 km，改建各类渠系建筑物72座。由于受该地区自然温度的影响，该地区处于季节性冻土区域，很多老渠道都受到当时设计和技术的限制，其中大部分渠道在运行中遭受不同程度的冻融破坏，渠道混凝土衬砌结构冻胀、开裂、塌陷等问题严重，不仅影响灌区水利工程的安全正常运行及节水型社会的建设，而且增加了渠道维护和管理的难度。为了保证肃州区清水河灌区节水配套改造项目建成后能够长期稳定发挥效益，解决渠道及渠系建筑物冻胀破坏问题势在必行。通过对季节性冻土区域冻胀破坏的深入分析，分析比较各种渠道衬砌防冻胀措施及其在工程建设中的实际应用，结合格宾石笼配合复合土工膜防渗衬砌技术方案在肃州区清水河灌区渠道衬砌中的运用，为季节性冻土区域渠道衬砌工程建设提供参考。

1    基本情况

肃州区清水河灌区属于甘肃省重点中型灌区，位于酒泉市肃州区城北10 km处，夏季酷热，冬季严寒，日照时数长，昼夜温差大，降雨稀少，蒸发量大。根据酒泉气象站历年统计资料，该灌区多年平均降水量为85.3 mm，多年平均蒸发量2 149 mm，多年平均气温7.3 ℃，极端最高气温38.4 ℃，极端最低气温-31.6 ℃，全年无霜期130 d左右，最多151 d，最少109 d;历年最大积雪深度16 cm，最大冻土深132 cm，每年 11月中下旬封冰、次年3月初解冻;灌区内区域水资源相对丰富，地下水埋深浅，但水资源时空分布不均，尤其在夏、秋季用水供需矛盾突出，灌区内现有小（Ⅰ）型水库3座、小（Ⅱ）型水库15座，干支渠总长141.53 km，渠道衬砌率低，已衬砌渠道冻胀破坏严重。

2    土壤冻胀破坏原因分析

2.1    环境温度

土壤的冻胀过程实际上是土壤在持续负温状态下的温度变化过程。肃州区清水河灌区地处河西走廊西端严寒地区，冬季寒冷而漫长，11月开始气温逐渐下降，中旬开始结冰，当气温降至0 ℃时，土壤孔隙中的自由水首先冻结为冰晶体，随着气温的不断下降，土粒弱结合水外层也逐渐开始冻结，使周围土粒结合水膜变薄，土粒产生了剩余分子引力;同时，由于水膜变薄，导致离子浓度增加，从而加强了渗透压力，在引力作用下，由于持续受到负温影响，未冻结区域弱结合水不断向这里迁移，然后再冻结，如此循环导致冰晶不断扩大至冻胀。

2.2    渠道土质

土壤中的水结冰时体积增加11%，但其对冻胀破坏的影响较小，冻胀破坏的发生主要是水分在土壤中的迁移与积累。在粉质土壤等一些土颗粒较小的土壤中，冻胀破坏更容易发生，因为这类土中毛细作用现象明显，从而能够使大量的结合水迁移积聚，产生较大的冻胀破坏。根据试验研究证明，在土粒粒径>0.1 mm的饱和粗颗粒土中，冻结过程几乎不存在冻胀，土体冻胀系数为0.2%，其冻胀性属为弱冻胀类[2-5]，而颗粒细小的粉质土壤，总表面积大，持水度就大，随着粒径减小，水分迁移量愈大，冻胀性也会增强，但黏土因毛细作用小，水分迁移少，其冻胀破坏较粉质土壤小。试验表明，当土粒粒径为0.002～0.050 mm时冻胀性最大[6]，在粒径较粗的粗颗粒土中，当粒径>0.1 mm时，在发生冻结的过程中一般不会发生结合水转移的现象[5]，其冻胀性较低。

2.3    地下水位及排水条件

地下水位是影响冻胀的重要指标。清水河灌区在冬季地下水位较高，且排水条件较差，受毛细作用及持续负温的影响，土壤深处未冻结水分源源不断地向冻结区移动并冻结，从而造成冻胀破坏。而同位于肃州区的沿山各灌区，因地下水位非常低，在同样的气候条件下，基本不产生冻胀破坏。

3    渠道衬砌中的主要防冻胀措施

3.1    置换渠基易冻胀土

置换渠基土是一种抗冻胀处理形式，就是将原来渠基的细颗粒易冻胀土体挖除，用大颗粒的土壤或砂砾石换填，换填料中粉黏颗粒应小于总质量的12%，增大填料孔隙率，减小毛细作用力，阻断水分迁移路径，可有效降低土壤冻胀。渠床土置换充填法适用于混凝土衬砌等刚性衬砌形式，其优点是防冻胀破坏可靠，施工简便，当施工现场附近有质量符合要求的砂砾石料时造价较低;其缺点是有时需置换土层厚度大，开挖及回填方量大，当换填料运距较长时，成本高。

3.2    隔热保温

该方法是先在衬砌材料下面铺设一层保温材料再进行衬砌，保温层作为冬季渠道衬砌结构内土壤的保温材料，尽可能降低衬砌渠道边坡及基础内部土壤负温影响，土壤内水分不被冻结，从而减轻了渠道的冻胀破坏。常用保温材料可以选择导热性低、不吸水、弹性和柔韧性好、加工方便的材料，苯板是目前使用较多的渠道衬砌防冻胀保温材料。其缺点是施工不便，施工中需对保温材料进行特别保护，确保不使保温材料受损而影响保温效果。

3.3    改变渠道衬砌形式

渠道衬砌的作用主要是减少渠道渗漏，增加渠道岸坡的稳定性，减小水流对渠道的冲刷和淤积，目前渠道的主要衬砌形式有干砌石、浆砌石、预制板、现浇混凝土等形式。现阶段，格宾石笼衬砌等柔性衬砌形式广泛应用于清水河灌区渠道衬砌上，在格宾石笼下铺设一层复合土工膜（两布一膜）用于防渗。这种衬砌形式的优点是施工简便，格宾石笼为柔性结构，能够很好地适应冻胀、沉陷变形而不被破坏，同时复合土工膜具有较大的抗拉强度和延伸性，抗侵蚀性好，能够承受较大的水压及适应渠道变形，并能够抑制渠道内杂草滋生，保护渠道不因杂草生长而被淤积。其缺点是在同等断面尺寸条件下输水能力低于砼衬砌渠道。

4    在清水河灌区中的实际应用

在肃州区清水河灌区节水配套改造项目建设过程中，对灌区渠道的冻胀破坏原因进行深入分析发现，灌区内灌溉渠道冻胀破坏主要受环境温度、地下水位埋深和排水条件、渠床基础土壤的物理性质等因素的影响，只有各项因素同时完全具备时才会发生冻胀破坏，在工程建设中只要消除以上因素就可以防止冻胀破坏的发生，但在实际工程的实施过程中同时消除以上各项冻胀破坏因素是很难做到的，同时也会增加工程造价，因而认为只要消除其中的1种因素，就能够有效防止或减轻冻胀破坏的发生。

由于肃州区清水河灌区节水配套改造项目正处于典型的季节性冻土区域，冬季气温低，持续时间长，冻土深度大，最大冻土深度可达132 cm，地下水位埋深较浅，部分地段形成露头泉水，没有有利的排水条件，渠道内杂草生长茂盛，渠基土质为冲洪积粉质淤泥层，碱性含量大，对衬砌渠道造成较大的冻胀破坏，若同时消除以上1种或多种冻胀因素，则难度大、造价高。在项目实施中，为了降低施工难度和费用，经过综合分析考虑，认为浆砌石、混凝土等刚性衬砌形式不适合在项目中应用，因而在工程建设渠道衬砌中采用了格宾石笼配合复合土工膜防渗衬砌技术方案。该技术方案的主要实施方法如下：首先，将渠道断面开挖至设计断面尺寸，并将渠道边坡及渠底的杂物等清理干净，夯实整平，其主要目的是在复合土工膜铺设时不损坏土工膜，且在渠道运行过程中不发生较大的不均匀沉陷，确保土工膜的完整性，提高防渗性能;然后，在平整的渠道上铺设复合土工膜（两布一膜），其主要作用是防渗，同时也可以有效抑制杂草生长，因为若杂草在格宾石笼中生长过多，将造成渠道淤积严重且清淤困难;最后，铺设格宾网笼并装填块石进行渠道衬砌，可根据渠道断面大小及流量大小合理确定格宾石笼衬砌厚度，肃州区清水河灌区渠道衬砌中渠道设计流量为2 m3/s，使用格宾石笼衬砌厚度为30 cm，其主要作用是用于保护复合土工膜不受损，并确保渠道不受冲刷影响，确保渠道正常运行。

5    结语

在肃州区清水河灌区节水配套改造项目中，格宾石笼配合复合土工膜防渗衬砌技术方案在渠道衬砌中得到了广泛应用。通过肃州区清水河灌区已建成格宾石笼配合复合土工膜防渗衬砌渠道的运行情况来看，柔性结构的格宾石笼配合有较高抗拉强度和延伸性能的复合土工膜，能够较好地适应渠道基础的冻胀及沉陷变形，经过1个冻融周期的运行，各渠道都能够正常运行，没有产生冻胀破坏，取得了很好的效果。这充分说明该技术方案能够很好地适应季节性冻土地区渠道冻胀破坏，具有典型的应用意义。

6    參考文献

[1] 兰景岩.渠道季节性冻土冻胀问题及预防措施探讨[J].黑龙江水利科技，2019，47（6）：143-146.

[2] 朱思远，陆立国，顾靖超.宁夏引黄灌区渠道砌护破坏原因分析与防治措施研究[J].节水灌溉，2011（4）：44-47.

[3] 刘学军，张煜明.宁夏灌区渠道防渗衬砌工程防冻胀技术研究与应用[J].水资源与水工程学报，2009，20（6）：98-102.

[4] 张国军，陆立国.影响衬砌渠道冻胀破坏严重的关键因素[J].中国农村水利水电，2012（9）：105-108.

[5] 霍凯成，黄继业，罗国荣.路基冻胀机制及冻害防范整治措施探讨[J].岩石力学与工程学报，2002（7）：1099-1103.

[6] 郝伟民.引水干渠冻胀破坏影响因素分析及防冻胀设计方案比选[J].水利建设与管理，2018，38（8）：43-45.