冻胀土及高地下水位渠道上干砌块石衬砌应用研究

李爱萍，王进军

甘肃省疏勒河流域水资源利用中心，甘肃玉门 735211

甘肃省疏勒河流域水资源利用中心昌马灌区属于国家大型自流灌区坐落在西端疏勒河干流中游，有着南高北低地势结构，对应海拔1 300～1 885 m，地理位置96°25′～97°30′E，40°05′～40°35′ N，南北和东西长度分别是55 km、85 km，横跨玉门、瓜州两县市，合计面积3 380 km2，现存的农业灌溉面积是4.65万hm2，长期干旱降雨量少，昼夜温差大，四季多风沙。现有骨干输水渠道干渠、支干渠以及支渠88条640.4 km，建筑物2 065座，其中干渠8条，支干渠10条，主要承担着甘肃省酒泉市辖区内玉门、瓜州2县市12个乡镇以及甘肃农垦团厂等4个国营农场农业灌溉任务，对推动瓜州、玉门2县市农业经济发展具有积极影响。

1 灌区渠道存在的问题

灌区属季节性冻胀地区，冬季漫长寒冷，冻胀期为每年11月至翌年4月，最大冻土深度为1.5 m，地质条件除西干渠及南干渠、碎石土层外，其他的还保留在粉质壤土或黏土层中，客观存在地段地质、地形复杂化、渠线较长等问题。在运作时，由于冻胀破坏产生的渠道安全问题，尤其是穿越高地下水位的渠段，每年经过冬季冻胀期后，骨干渠道都会发生基土融沉、边坡冻胀鼓起、渠道变形等问题，严重影响了灌区输水灌溉，每年都需要投入大量资金进行维修和改建。

2 研究内容

通过收集和探测昌马东干渠、北一支干渠干砌块石衬砌渠段气象、地质资料，采用实验和分析的方法，得出各观测断面冻胀量与冻胀性之间的关系、最大冻深渠时道内部温度保持均匀、渠道多个监测断面残余变形分布情况、冻前和最大冻深时土层含水率分布情况，总结出干砌石在冻胀土及高地下水位的适用范围，并通过对比冻胀破坏区域的成因确定维修方案，为进一步工程设计提供可靠的技术数据，降低工程造价和维修费用。

3 渠道冻害破坏的原因分析

3.1 渠床的土质条件

若渠床的重要组成结构式粗颗粒土时，整体冻胀量不高，如出现非均匀性的衬砌适应，将使冻胀变形能力保持良好，同时能降低冻害风险。若果渠床式细粒土，则渠床土含水量较大，在地下水补给时，冻胀量显著增加。如果渠床内优先选取混凝土或浆砌石，同时适应变形能力小刚性衬砌，保持较明显冻害破坏。

3.2 渠床的水分条件

渠床土冻胀性大小、冻胀率沿深度布局等因素，都与水分条件密切相关。从某些角度分析，渠床水分条件会导致渠道衬砌冻害破坏。在这个过程中，需要以渠床水分条件为标准完成细分：一类是地面渗水使渠床土体含水量有效提高，进而导致冻胀使衬砌破坏风险上升；另一类则是在地下水不足环境中，使下渠床冻胀，进而破坏衬砌。前者冻胀量不高，衬砌冻害破坏程度也相对偏低，后者的冻胀量偏高，使衬砌冻害破坏较为明显。由于水分条件存在差异，冻胀率沿深部分布将呈现显著的差异。混凝土预制板衬砌裂缝主要出现在坡脚和渠底，并且需要考虑渠床土体水分状态的影响。

3.3 渠床的温度条件

东西走向渠道时，南坡冻结深度＞北坡冻结深度，核心原因是阳坡日照周期较长，同时日照强度较大。

4 试验区渠道现状及冻胀情况

以昌马东干渠及北一支干渠为研究对象，东干渠总长度59.8 km，设计流量为1.91～6.00 m3/s，加大流量2.29～6.5 m3/s,农业灌溉总面积6 742.7 hm2，高地下水位主要集中在13.30～20.08 km渠段内；北一支干渠总长度13.16 km。设计流量1.5～1.9 m3/s，加大流量1.95～2.47 m3/s，农业灌溉总面积2 676.0 hm2，高地下水位集中在0.15～11.5 km渠段内。经实地调查、取样，研究区内渠段均属于挖方渠段，渠基和渠坡基土性质为粉质黏土，这些渠段发生冻胀破坏的形式相似，均为坡脚处预制板鼓胀下滑，渠底隆起，最终导致边坡砼预制板边坡整体塌落及下滑。

5 试验情况简介

干砌块石衬砌形式在冻胀土及高地下水位的应用研究试验是在冬季停水后，分别在东干渠、北一支干渠选取2个观测断面，安排专人对观测断面的地温、基土含水率、衬砌体的位移情况进行了观测。

第一，在选定的控制点断面采用温度计测量表面20、40、60、80 cm深土层的渠底和边坡进行定期温度观测。

第二，在冻前和最大冻深时测定0～80 cm土壤含水率。

第三，视准线法测量位移，具体为采用水准仪及钢尺测定干砌石衬体的水平和垂直位移。①试验仪器：经纬仪、水准仪、钢尺、方尺(直角尺)；②视准线法在试验应用上具体方法如图1所示。

图1 水平位移观测示意图

由图1可知，A和B属于视准线下的基准点，能建立水平位移观测点，在对其进行观测时，经纬仪需要保留在A点，而仪器也需要对准B点位置，则在渠底投影出A—B视准线。在视准线上定出要观测的C点和D点的位置(图2)。

图2 垂直位移观测示意图

如图2所示，用钢尺及方尺等工具量得DF点距离，用水准仪测出DF点高差，则可求出B点的水平距离EF，以第一次观测的数值为基准数值，与以后每次观测的数值的差即为其水平位移。渠底位移为视准线的偏移距离。

第四，根据《渠系工程抗冻胀设计规范(SL23—2006))》对渠道基土冻胀量进行计算，通过以上观测及计算数据，分析干砌石砌体抗冻胀适用范围[2]。

通过现场实测求得各观测断面冻胀量与冻胀性之间的关系、最大冻深渠道温度场所的布局、渠道检测断面残余变形分布情况、冻前和最大冻深时土层含水率分布情况，总结出干砌石在冻胀土及高地下水位的适用范围和通过对比冻胀破坏区域的成因和维修方案，为进一步工程设计提供可靠的技术数据，降低工程造价和维修费用。

6 结果与分析

6.1 土质分布情况分析

北一支干渠渠段。针对渠道的地质条件、地下水埋深信息进行分析，上述区域都是挖方渠段，渠基和渠坡则重点放置在apLQ粉质壤土和粉质黏土土层中，在地表1 m以上的位置，盐碱保持较高的含量，即1.8～7.8 g/kg，这也是亚硝酸盐盐渍土，将其干密度设定为1.23～1.56 g/cm3，细粒土(﹤0.007 5 mm)含量和厚度分别＞10和＞3。由于地下水埋深偏浅，保持在0.0～2.0 m的水平，在渠底存在渗水、积水的问题，天然含水率保持为15%～29%，毛细提升高度则为1.7～2.6 m，水质条件相对落后，针对砼硫酸盐侵蚀性，渠道对应的土基渗水补给量保持较高的水平。

东干渠(桩号13+362.25--20+083)渠段渠基和渠坡主要置于apLQ粉质壤土层中，渠坡顶部1.1～0.5 m的人工填土，下伏粉质壤土，具水平层理，中密结构，易融盐小于0.5%，中等压缩性中等透水性非盐泽土，地下水埋深0.5～1.9 m,毛细上升高度为1.7～2.6 m，水质较差，对混凝土具有盐酸盐侵蚀性。

渠道冻胀破坏程度与渠基土的冻胀量大小有关，细粒土粒径＜0.075土粒重量超过土样中，10%属于粗粒土为冻胀性土，东干渠(桩号13+362.25--20+083 km)，北一支干渠(桩号：0+150—11+475 km)渠段均为冻胀土，加之地下水位较浅，水分补给充分，则必然产生较大冻胀量，当超过干砌石衬砌材料的允许法向位移时，就会产生冻胀破坏[4-5]。

6.2 观测断面温度场分布情况分析

根据气象站监测数据，2020年11月8 日—2021 年4 月15 日，2021 年11月5日—2022年4月20日为冻结期。

2020年12月最高气温1 ℃，最低气温-24 ℃。2021年3月最高气温最低气温为20 ℃，最低气温为-9 ℃。如果温度梯度保持较高的水平，冻结锋面将及时朝下进行转移，同时未冻部分迁移水流将会沿途处理，并且在冻结锋面生成冰层，因为地下水位偏高，有充分的水分补给，随着冻结锋面停留时间的增加，冰层也会更厚，对应的冻胀量也会适当提升。

6.3 观测断面含水率测量情况分析

选取Ⅰ、Ⅱ两个观测对比断面控制点，如图3所示每个监测断面选择7个监测点对冻前和最大冻深含水率进行监测，现地观测2020年11月20日—2021年3月10日，2021年11月20日—2022年3月10日，观测点各层土含水率分布图。由图4可见，观测点在冻结深度范围内水分重分布现象明显，断面Ⅰ(地下水埋深为0 m)冻前各土层含水率为21.7%，最大冻深时各土层含水率30.22%，平均水分迁移量约达到8.52%。断面Ⅱ(地下水埋深1.9 m)，冻前各土层含水率为18.3%，最大冻深时各土层含水率23.5%平均水分迁移量约达到5.2%。随着地下水埋深的增加，水分迁移量变大。

图3 含水率检测示意图

图4 冻前和最大冻深含水率分布图

6.4 观测断面位移观测情况分析

观测点对比方案冻融垂直位移量和水平位移量变化观测结果如图5所示。

图5 对比方案冻融垂直位移量和水平位移量变化观测结果

7 试验结论

通过2020年11月20日—2021年5月，2021年11月20日—2022年4月对选定的2个干砌石观测断面温度、含水率、位移情况的观测数据分析，得出以下结论。

负温、土质、水分三者相互影响地表冻胀量的大小，从而决定了衬砌体位移的大小的变化。在土质、温度变化不大的情况下，地下水埋深是影响冻胀量变化的主要因素，地下水埋深浅，(A断面地下水埋深1.9 m，B断面地下水埋深0 m)冻胀量大，冻胀垂直位移和水平位移变化大，A断面渠底冻胀位移最大月平均变化发生在1月，为13.8 cm，随着渠道位置的上升，冻胀位移逐渐变小，渠顶最大冻胀位移为5.5 cm。最大水平位移发生在1月，随着冻胀的发生，位移朝渠道中心线方向移动，随着渠道位置上升，位移量逐渐变小。A断面最大垂直位移为13.8 cm，水平位移为9.8 cm时，保持了渠道结构完整，B断面在垂直位移为18.8 cm，水平位移为15.3 cm时，渠道出现结构破损。由此可得出，干砌石衬砌体位移随着冻胀量的变化而变化，冻胀量大位移值大，冻胀量小位移值小。当位移值超过2/3(干砌石衬砌厚度为30 cm)衬砌体厚度时，造成衬砌体结构不稳定，出现衬砌体的滑塌破坏。

8 建议措施

8.1 回避冻胀法

在规划设计过程中应避免劈开较高的冻胀量自然条件。在筛选渠线过程中，选取透水性能良好、地下水埋深较高、地形结构偏高的区域；渠线有限选择粉质土、沼泽等地区，优先考虑填方渠道。在考虑管道、渡槽时，可优先选取墩基础支撑架空等结构，降低冻胀土接触，避免冻胀影响[6-7]。

8.2 适应冻胀法

采用干砌石衬砌断面形式，即通过选择衬砌材料来适应冻胀变形。从实验结果可以看出，当变形超过衬砌体厚度2/3时，就会引起衬砌大面积滑塌变形，因此可以考虑分段设计原则，在地下水埋深较浅渠段，增加衬砌体厚度。

8.3 置换冻胀土消减冻胀法

如果渠基存在最大冻胀量，在冻胀融化反复的影响下，将发生冻胀累计变形。通过使用适应、回避方案解决经济问题和技术问题，此时可应用冻胀基土消减冻胀法。从北一支干渠和东干渠断面设计可以看出，原设计采用30 cm砂砾石垫层置换渠基冻胀土，在地下水埋深大于1.9 m渠段，基本满足设计需求，但在地下水埋深小于1.9 m渠段则出现了较为严重的冻胀破坏。