干砌块石衬砌形式在冻胀土及高地下水位渠道中的应用

王进军

（甘肃省疏勒河流域水资源局昌马灌区管理处，甘肃 玉门735211）

1 概述

疏勒河流域昌马灌区属国家大 （二）型自流灌区，位于甘肃省河西走廊西端疏勒河干流中游。1958年建成，主要承担着玉门、瓜州两市县12个乡镇、4个国营农场69.68万亩农业灌溉任务。昌马灌区现有骨干输水渠道92条629km，其中，干渠7条187km，支干渠10条115km，支渠、分支渠75条327km。

这些渠道的运行，成为当地农业生产的生命线。但是，由于工程渠线长，渠道所经地段地质、地形条件复杂，灌区又属严寒气候区，多年平均气温5.8～8.8℃，最低气温-29.3℃，最大冻土厚度为150cm。渠道运行中因冻胀破坏的问题时有发生，尤其是穿越高地下水位渠段，渠基土的冻胀敏感性更强，基土冻胀融沉变形对渠底及护坡结构的影响也更为强烈，冻胀破坏更为严重。这些冻胀严重渠段，以往采用40～70cm厚砂砾石垫层，上铺设砼预制板，清理污染垫层，对冻胀变形的砼预制板重新衬砌，维修后渠道运行1-2年，仍发生冻胀破坏。每年用于这些渠段维修冻胀破坏的费用占维修总费用的65%左右。因此穿越高地下水位渠道冻胀破坏是必须研究解决的问题。

2 地质情况及冻胀现状

昌马灌区穿越高地下水位冻胀渠段主要集中在东干渠及北一支干。东干渠灌溉面积9.99万亩，设计流量1.91-5.60m3/s,全长52km; 高地下水位集中在（桩号：13+362—20+083km）渠段内，北一支干渠灌溉面积4.04万亩，设计流量1.78m3/s,全长13.16km，高地下水位集中在 （桩号：0+150—11+475km）渠段。经对这些渠道的地质条件、地下水埋深等情况的调查，这些区段均属挖方渠段，渠基和渠坡主要置于apLQ粉质壤土或粉质黏土土层，地表1.0m以上盐碱含量较高，为1.8-7.8g/kg,属亚硝酸盐盐渍土，干密度1.23-1.56g/cm3，细粒土 （＜0.0075mm）含量大于10，厚度大于3m。地下水埋深较浅，仅为0.0～2.0m,渠底有渗水，积水现象，天然含水率15%～29%，毛细上升高度在1.7～2.6m之间，水质较差，对砼硫酸盐侵蚀性，渠道土基渗水补给量大，详细情况见表1。

表1 昌马灌区东干渠、北一支干渠冻胀破坏渠段调查表

发生冻胀破坏的渠段都具有相似的冻胀破坏形式。均为坡脚处预制板膨胀下滑，造成渠底鼓胀隆起，最终导致边坡砼预制板整体下滑、塌落。如图1所示。

图1 东干渠、北一支干渠渠道冻胀破坏状况

3 冻胀破坏的原因分析

土质、水分、负温是造成渠道冻胀破坏的主要因素。

1）渠基土质。渠道冻胀严重程度与土的冻胀敏感性有关，土中粒径小于0.0075mm的土粒超过总重量的10%为冻胀土，昌马灌区东干渠及北一支干渠渠段多为粉质壤土和粉质黏土，均为冻胀土，加之地下水位高，水分补给充分，必然产生较大冻胀量，从而使砼预制板鼓胀下滑、塌落造成破坏。另外，地表1.0m以上盐碱含量较高，为亚硫酸盐盐渍土，含量达到1.8-7.8g/kg,，对砼有强腐蚀性，是造成了砼预制板衬砌体破坏的另外一个原因。

2）地下水及负温的影响。东干渠及北一支干渠冻胀破坏渠段均为挖方渠道，渠道平均挖深为2.6～5.1m,而渠堤两侧为耕地，耕地灌溉的深层渗漏使渠坡外围土基有大量的傍水渗入。当冬季停水后，因地下水位较高，加之渠道旁侧渗水共同补给，使基土含水率达到40%以上，此时平均气温为-7.0℃以下。渠底和渠堤基土冻结，体积膨胀作用下引起的应力超过材料强度时，就会造成渠道衬砌体的破坏。而砼预制板一般厚度为6～8cm,这样的结构，重量轻、稳定性差、抗冻性差，极易产生冻胀破坏。

4 衬砌断面形式的选择

针对以上产生冻胀的因素，在总结经验的基础上，对于渠段旁侧渗水补给量大，地下水埋深浅，在渠底出漏，地基排水性能弱，且水质对砼预制板有硫酸盐腐蚀的渠段，通过采用置换冻胀土，增加衬砌体重量的衬砌方式，即采用30cm厚砂砾垫层，10cm厚细砂保护层、土工布（150g/m2）反虑层、30cm厚干砌块石的衬砌方式（如图2所示）：一是干砌石衬砌结构在冻融过程中，可以接受一定的法向位移，适应基土的冻胀融沉，有效避免冻胀破坏；二是能够使渠道停水时和来年解冻后基土的水分及出露地下水及时从干砌石排出，降低基土含水率，从而有效减小基土冻胀；三是增加了衬砌厚度，改善了渠道底部的衬砌结构，提高了渠道的抗冻胀能力。另外，干砌块石比砼结构更有效抵抗基土和水质中硫酸盐的侵蚀。

图2 干衬砌石衬砌断面

经对昌马灌区东干渠，北一支干渠采用干砌块石衬砌断面形式后运行情况检查，渠道运行5年以来，未出现严重冻胀破坏，效果良好。实践证明，采用干砌块衬砌形式，能够有效解决高地下水位渠道冻胀问题，保证渠道安全输水，有效降低维修费用，提高工程效益。对具有相似地质条件的灌区渠道，是值得推广的一种维修改造措施。如图3所示。

图3 东干渠、北一支干渠干砌石衬砌渠道

5 干砌石衬砌形式施工要求

干砌石的施工虽工序简单，但质量控制难度大，只有重视施工质量，才能达到满意的工程质量和抗冻胀效果。施工中应注意以下几点要求：

1）保证排水通畅，施工中要做好反虑层，防止淤塞和流土。

2）砂砾料垫层级配及夯填相对密度要严格按照设计规范要求选料和施工，保证回填质量。

3）建立施工质量控制与质量体系，严格干砌石施工工艺流程和设计要求施工。加大质量抽查力度，做到全过程质量检查，对不合格的干砌石立即拆除返工，不留隐患。