疏勒河灌区混凝土预制板衬砌渠道防冻胀初步研究

(甘肃省疏勒河流域水资源局，甘肃 玉门 735211)

1 流域概况

疏勒河干流全长670km，为甘肃省三大内陆河之一，多年平均径流量10.31亿m3,流域面积4.13万km2，属典型的内陆寒冷干旱性气候，冬季时间长，气温低；年降水量少，蒸发量大。多年平均气温为6.9～8.8℃，最高气温38.5℃，最低气温-35℃；多年平均年降水量47～63mm，蒸发量2897～3042mm，最大冻土深度大于1.5m，海拔在1600～1100m之间。

2 工程概况

疏勒河灌区位于甘肃省河西走廊西段，东经96°30′～97°40′，北纬40°11′～40°34′，西邻新疆哈密地区，东接甘肃嘉峪关市，南依祁连山与青海接壤，北靠马鬃山与内蒙古毗邻，内辖昌马、双塔、花海三大灌区。疏勒河灌区经过多年大规模水利建设，已初步形成以蓄、引、调、排为主的骨干工程体系。灌区有干渠17条445.86km，支干渠11条116.77km，支渠120条548.10km，斗渠619条1105km，农渠6247条2950km。疏勒河灌区承担着玉门市、瓜州县22个乡镇、6个国营农场134.42万亩耕地的农业灌溉和甘肃矿区的工业供水、辖区生态供水及水力发电供水等任务，是甘肃省百万亩以上大型自流灌区之一。

3 研究背景

疏勒河灌区是西北地区较为典型的大型自流灌区，干、支渠道一般为梯形混凝土预制板衬砌型式，采取渠道边坡、底板设置砂砾石垫层作为防冻胀措施。渠道改建施工时，大部分渠段两侧均存在林带、耕地、各类线杆等影响工程实施的问题，施工现场空间狭小，砂砾石垫层进场困难，加之渠道行水周期长、有效施工期短等客观因素，常因征地、伐树等相关准入手续办理时限的问题，导致工程延期。为保证灌区内渠道改建工程顺利实施，计划在典型渠道开展聚苯乙烯泡沫保温板(以下简称保温板)替换砂砾石垫层防冻胀试验。

4 试验对象

选定昌马东干六支渠作为此次试验对象，该渠道计划改建长度3.48km，设计断面为混凝土预制板梯形衬砌型式，设计流量0.24m3/s,纵坡为1.36/1000,渠口宽2.11m，渠深0.69m，边坡系数1.25，砂砾石垫层厚度为40～70cm。

因设计渠线部分渠段两侧渠堤外侧分布通信线杆和田间林带，施工时存在以下问题：无法修建临时施工道路，土方及垫层工程施工难度大；按常规工序施工共需伐树238棵，还需占用部分耕地；部分渠段为高垫方渠道，且渠道周边均为碱性土壤，若渠道进行改线，不利于保证渠道边坡垫方稳定。为此，计划在施工困难的渠段设置试验区，利用保温板替换砂砾石垫层进行施工。

5 置换方式

在原设计渠道断面、水力要素不变的前提下，用密度20kg/m3保温板置换砂砾石垫层：将渠底、阴坡厚度为70cm的砂砾石垫层置换为厚度为12cm的保温板；将渠道阳坡厚度为40cm的砂砾石垫层置换为厚度为8cm的保温板(见图1)。

图1 东干六支渠聚苯乙烯泡沫保温板防冻胀衬砌断面(单位:cm)

6 试验过程

对置换施工完成后的渠道不同深度的地温、冻胀量和渠道表面变形进行观测，根据地温和冻胀来判定保温板的防冻胀效果。

设置1个实验观测段，计划观测项目、拟采用的相关设备仪器以及观测要求见表1。

表1 计划观测项目、设备及要求

在阳坡、阴坡和渠底布置不同深度的地温观测点和变形观测点(见图2)。

图2 渠道试验段地温、位移测点布置横断面 (单位：cm)

7 工程运行情况监测

7.1 温度观测

对阴坡、渠底8个指标共192个观测数据进行的分析表明：除埋深在20cm的点位存在个别出现负温(-1℃)以外，其他各点位数据都在0℃以上。在日观测平均最低气温在-9℃时，地温均在0℃以上，保温板起到了渠基的保温作用(见图3)。

7.2 位移观测

分别对阴坡、阳坡、渠底垂直位移、渠道水平位移、裂缝等16个指标进行13次观测，对208个数据的分析表明：冬季渠道外侧土壤冻结后，渠道产生冻胀变形，最大变形量出现在渠堤(即渠道衬砌断面顶部)，究其原因为渠道顶部暴露在外界环境，保温板只能在预制砖后起到部分保温作用。与以往经验比较，保温效率明显高于该渠道之前的砂砾石垫层，冻胀变形剧烈程度明显下降(见图4～图7)。

图3 东干六支渠苯板衬砌渠道试验段测温数据分布

图4 东干六支渠苯板衬砌渠道试验段阴坡垂直位移量分布

图5 东干六支渠苯板衬砌渠道试验段阳坡垂直位移量分布

图6 东干六支渠苯板衬砌渠道试验段渠底垂直位移量分布

图7 东干六支渠苯板衬砌渠道试验段渠道水平位移量分布

8 效果分析

综上所述，采用保温板在防止渠道冻胀变形破坏方面具有以下优点：施工方便，适用于灌区行水周期长、轮灌停歇期短、施工空间小、外部影响因素大的渠道改建工程，减低对渠道基土的扰动；节省征地、伐树、杆位移动等项目的额外费用；保温板耐久性好，埋在地下不易受污染、变质破坏，延长渠道使用寿命。