高寒盐渍区灌溉渠道破坏成因分析

庹 世 华

1 工程概况

1.1 灌区基本情况

罗城灌区位于高台县西北部39.6 km，东经99°34'32″，北纬39°40'43″，属于中型灌区，辖1个乡、13 个行政村，总面积1 284 km2，总灌溉面积4 606.67 hm2（6.91 万亩），灌区内地势低洼，平均海拔1 300 m，灌区属大陆性寒温干旱气候，冬夏较长，春秋较短，春季多风少雨，冬季较为寒冷，具有日照时间长，太阳辐射高，昼夜温差大，降雨稀少、蒸发强烈，光热资源丰富等特点，灌区年平均降水量104.4 mm，多年平均蒸发量2 347.5 mm，多年平均气温7.6 ℃，最高气温38.5 ℃，最低气温-31 ℃，最热日平均气温22.3 ℃，最冷日平均气温-9.7 ℃，最大冻土深106 cm。

1.2 改建渠道基本地质条件

改建的罗城北干渠所属5 条支渠均位于罗城灌区内，地处黑河中下游酒泉东盆地东北部边缘冲洪积、湖沼积细土平原区，区内地形平坦开阔，总体地势东南高西北低，地势低洼；地层岩性主要为第四系全新统冲洪积或湖沼积粉质壤土、淤泥质粉细砂等，粉质壤土分布于地表以下1.5～4.5 m，下部为淤泥质粉细砂层或粉细砂与壤土互层，总厚度约15 m，下伏第四系上更新统冲洪积砂砾石或含砾砂；地下水主要为第四系冲洪积细土平原区孔隙性潜水，水位埋深一般1～3 m，年变幅0.5～1.0 m，主要受黑河水补给，其次为灌溉回归水补给，因地势低洼，地下水径流不畅，故蒸发浓缩作用强烈，水质极差，矿化度高达3～5 g/L，水化学类型以SO42-—Cl-—Mg2+—Ca2+型为主，并形成大片的盐渍土，地表盐碱薄壳厚3～5 cm。

1.3 改建渠道渠基土物理力学性质

经对改建的罗城北干渠所属5 条支渠渠道在不同部位开挖探坑进行地质编录并取样试验，渠道均坐落于第四系全新统冲洪积、湖沼积粉质壤土层上，大部分渠段为挖方渠、少部分渠段为半挖半垫方渠（垫方土质仍为原地基土）。渠基粉质壤土呈褐黄色或灰白色，潮湿-基本饱和，结构稍密-中密，地下水位在渠底以下0.8～2.3 m。经取样试验（15 组平均值）：砂粒含量10.8%，粉粒含量78.9%，黏粒含量10.3%，按颗分定名为轻粉质壤土；液限含水率37.4%，塑限含水率18.4%，塑性指数19.0，按塑性指数分类为低液限黏土；天然湿密度1.68 g/cm3，天然干密度1.31 g/cm3，天然含水率28.4%，饱和含水率38.0%，天然孔隙率49.8%，天然孔隙比0.992；渗透系数1.85×10-5cm/s，属弱透水性，毛管水上升高度156 cm；易溶盐含量3.16%，属盐渍土；有机质含量0.71%；湿陷系数0.056，属中等湿陷性土；压缩系数0.38 MPa-1，属中等压缩性土，压缩模量5.8 MPa。

1.4 改建渠道渠基土和地下水的化学性质

由渠基土试验成果可知，绝大部分渠基土的易溶盐含量均大于规范规定的0.3%，因而属盐渍土类。为研究盐渍土的盐胀性，现场按地表以下0.1、0.3、0.5、0.8、1.1 m 不同深度取样进行化学分析试验，试验成果（5 组平均值）：易溶盐含量3.69%，易溶盐化学成分：Ca2+离子含量1 197.5 mg/L，Mg2+离子含量286.1 mg/L，（Na++K+）离子含量598.5 mg/L，Cl-离子含量921.6 mg/L，SO42-离子含量3 868 mg/L，HCO-3离子含量184.9 mg/L，CO32-离子含量0.0 mg/L，离子总量7 056.8 mg/L，矿化度7.0 g/L，pH 值7.8；盐渍土按化学成分（Cl-/2SO42-）分类为硫酸盐渍土或亚硫酸盐渍土，按含盐量分类均为强盐渍土；硫酸钠含量平均为1.18%，盐胀性分级为弱盐胀性土，硫酸钠含量最大为1.35%，属中盐胀性土（见表1）。

表1 盐渍土化学分析试验成果表

经对每条渠道采取地下水样进行化学分析试验：Ca2+离子含量200.6 mg/L，Mg2+离子含量212.8 mg/L，（Na++K+）离子含量265.4 mg/L，Cl-离子含量351.8 mg/L，SO42-离子含量1 135.7 mg/L，HCO-3离子含量295.6 mg/L，CO32-离子含量0.0 mg/L，离子总量2461.9 mg/L，矿化度3.6 g/L，pH 值7.5，水化学类型为SO42-—Cl-—Mg2+—Ca2+型为主，水质极差；地下水水质对普通混凝土均具硫酸盐的强腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋及钢结构均具中等腐蚀性。

2 问题的提出

改建渠道于2012 年10 月底完工，经过一个冬季之后，2013 年2 月底发现已建成的5 条支渠均不同程度地出现了变形或严重变形，各渠道的上段和中段变形较轻，而下段变形严重。变形严重的渠段以衬砌混凝土预制块的鼓胀、鼓胀裂缝、错位、反错台、底部倾斜、顶部陡立、局部断面已不规则等为主要特征；最大鼓起高度约12 cm，一般5～8 cm，最大鼓胀裂缝8 cm，一般2～4 cm，错位错台均在1～6 cm 之间，底部顶部倾斜度在5～10°，最严重处断面已不规则。各渠道的上段和中段变形较轻，属轻微—中等变形，其中完好段占渠道总长40%左右，轻微—中等变形段占渠道总长30%左右；而下段则变形较严重，属中等—严重变形，占渠道总长30%左右。另外，变形以挖方渠段较轻，半挖半垫方渠段较严重；阴坡比阳坡较严重，底部变形由阴坡向阳坡倾斜；地势低洼处较严重，地势较高处较轻微。

3 成因分析

3.1 盐胀是主要原因

经在各渠道下段变形最严重的部位进行破坏性大开挖检查，发现在原渠道防渗塑膜（未清除）下分布有厚2～5 cm 的硫酸盐结晶体（纯白色），最大厚度可达8 cm（局部），即最大盐胀变形量可达8 cm，是下段渠道变形破坏的主要原因。由于特殊的地质环境，工程区分布大片的强盐渍土，且以下段半挖半垫方渠段相对集中构成强盐渍土渠基。依据化学分析试验成果，按规范进行分类：（1）盐渍土按含盐化学成分分类，大部分为硫酸盐渍土，局部为亚硫酸盐渍土；（2）盐渍土按含盐量分类，均为强盐渍土。

盐渍土的盐胀性主要取决于硫酸钠（盐）的含量，试验测得：地表下1.1 m 深度内盐渍土中硫酸钠的平均含量为1.18%，最小1.08%，最大1.35%。按照《盐胀性分级评价标准》，硫酸钠含量Z（%）：0.5＜Z≤1.2 属弱盐胀性土（Ⅱ级）；1.2＜Z≤2 属中盐胀性土（Ⅲ级）。即渠基土大部分（硫酸盐渍土）为弱盐胀性土，局部（亚硫酸盐渍土）为中盐胀性土。

发生盐胀的主要因素是地势低洼，地下水位埋深浅，地下水径流不畅，蒸发浓缩作用强烈，水质极差，在土体较大的毛管上升高度（156 cm）作用下，将地下水中高含量的硫酸钠盐向上迁移集聚到渠基土内，且为多年累积，原渠道铺设的防渗塑膜起到了更加集聚的作用，然后在冬季温度发生变化的情况下就形成了硫酸钠的结晶体而发生膨胀，从而导致渠道的变形破坏。盐胀本身与冬季低温关系密切，是伴随冻胀而发生的，因此可并称为盐—冻胀破坏。

3.2 冻胀是次要原因

从渠道产生变形的季节时段和变形特征也反映了冻胀的客观存在，其变形符合冻胀破坏的一般规律，且满足发生冻胀的各种条件。首先是区域地质条件处在细土平原冲洪积、湖沼积粉质壤土细颗粒土质区，粉、黏粒含量平均达89.2%，属冻胀性土；其次是地下潜水埋藏浅，距渠底仅0.8～2.3 m，且径流不畅，排泄受阻，试验所测土的毛管水上升高度达156 cm，地下水源源不断地补充到渠基土中，使得渠基土的冻前含水率很高，实测冻土层的天然含水率达28.4%。因此，发生冻胀是必然的。

3.3 改建渠道砂砾石置换厚度与质量不能满足防冻胀和抗盐胀要求

经对置换的砂砾石进行抽样检测，粉黏粒（＜0.075 mm）含量平均达15.2%，大于规范关于粗粒土粉黏粒含量10%的规定，属冻胀性土；而且设计厚度过小，施工薄厚不均，不满足防冻胀和抗盐胀要求，也是渠道发生盐—冻胀破坏的重要因素。

4 建议措施

（1）对挖方渠道应清除渠基及渠堤内的盐渍土，再夯填砂砾石防冻胀材料。

（2）对填方渠道应尽量避免采用渠道周边表层盐渍土，最好剔除表层50 cm 盐渍土，用下部非盐渍土进行填筑。

（3）清除渠道内的红柳、杂草以及两侧淤积层，防风沙入渠、采取排碱措施。

（4）渠道应加强衬砌和防冻胀处理措施，采取提高混凝土衬砌标号、添加抗硫水泥等防混凝土侵蚀的处理措施。

5 结 语

区域地质环境形成工程区大片的盐渍土。经试验研究：盐渍土按含盐化学成分分类，大部分为硫酸盐渍土，局部为亚硫酸盐渍土；盐渍土按含盐量分类，均为强盐渍土。盐渍土的盐胀性主要取决于硫酸钠（盐）的含量，本工程区大部分（硫酸盐渍土）为弱盐胀性土，局部（亚硫酸盐渍土）为中盐胀性土。

在冬季温度发生变化的情况下，盐胀性土中的硫酸钠就会形成结晶体而发生膨胀，从而导致渠道的变形破坏。盐胀本身与冬季低温关系密切，是伴随冻胀而发生的，可并称为盐—冻胀破坏。因此，在盐渍土地区建设渠道工程时，应加强勘察试验工作，评价渠基土的盐胀性，采取一定的措施，保证设计与施工满足防冻胀和抗盐胀要求。