黃付林

0 引言

八團(tuán)是屬新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師塔里木灌區(qū),農(nóng)一師灌區(qū)位于歐亞大陸腹地,天山南麓中段,塔里木河上游塔克拉瑪干沙漠北緣。年降雨量40.1 mm～82.5 mm,年蒸發(fā)量 1 893.2 mm～2 558.9 mm,日照2 760.5 h～2 991.8 h,屬極端干旱的純灌溉型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū),自然環(huán)境惡劣。一年中最冷月1月份的平均氣溫為-15℃～-10℃,平均凍深56 cm,最大凍深可達(dá)80 cm。由于氣候寒冷,興建的防滲渠道極易受到凍脹的破壞。因此進(jìn)一步研究渠道凍脹破壞的機(jī)理,采取有效的措施預(yù)防它,對(duì)保證各級(jí)防滲渠道的正常運(yùn)行,減少維修養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用意義重大。

1 渠道凍脹機(jī)理

渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成。渠基土受凍體積膨脹必須具備以下條件:

1)寒冷氣候區(qū)持續(xù)的負(fù)溫條件;

2)土壤中自由水和毛細(xì)水的存在,并且有通暢的水分補(bǔ)給通道;

3)土壤本身的物理力學(xué)性質(zhì),包括土的顆粒組成,礦物質(zhì)成分等。

在以上三個(gè)條件中,土壤中自由水和毛細(xì)水的存在是凍脹發(fā)生的先決條件,也是必備條件,在整個(gè)凍脹破壞過程中,水是最活躍的因素。

從目前灌區(qū)受凍脹破壞的渠道來看,基本上位于灌區(qū)中下游。這是因?yàn)樵诠鄥^(qū)中下游地區(qū),地下水埋深淺,土壤顆粒細(xì),土體中自由水和毛細(xì)水的補(bǔ)給十分充足。一旦氣溫下降至0℃以下,土體中的自由水和毛細(xì)水的體積受凍膨脹,引起土體膨脹,頂托襯砌,破壞渠道。凍脹破壞不但發(fā)生在挖方渠道中,在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出,毛細(xì)水的凍脹性也不容忽視。

2 渠道防凍脹處理方法

1)改變渠道結(jié)構(gòu)形式。

用“U”形或矩形斷面來代替梯形斷面。但這種處理形式只適用于流量小于1 m3/s的小渠道。對(duì)于大渠道來說,若采用這種處理方式,難免造成造價(jià)和施工難度的加大,且幅度還較大。上述導(dǎo)致土體凍脹的三個(gè)基本因素中,只有三個(gè)因素同時(shí)具備,才發(fā)生凍脹破壞。只要消除其中一個(gè)因素,就能防止和減輕凍脹危害。從目前當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件來看,外部溫度不達(dá)負(fù)溫是不可能的,因此只有采取保溫措施達(dá)到內(nèi)部不負(fù)溫。切斷凍土地基在凍結(jié)前后的水分補(bǔ)給是過去防凍脹處理常用的方法。

2)改變渠基土體的基本結(jié)構(gòu)。

要切斷凍土地基在凍結(jié)前后的水分補(bǔ)給,通常是采用高填或排水措施來減少水分的補(bǔ)給。但是由于土體顆粒及物理力學(xué)性質(zhì),毛細(xì)水的作用不可忽視。毛細(xì)水往往上升至地下水面以上2 m～3 m的平面上,同樣會(huì)對(duì)渠產(chǎn)生凍脹破壞。

改變基土的基本結(jié)構(gòu)的辦法是:選用非凍脹性的砂礫土料,置換原凍脹性地基土。這種換填工程量較大,換填厚度一般要不小于凍土深度。在凍土深度小的地區(qū)使用尚可,若在凍土深度較大的地區(qū)使用,往往工程量是巨大的。

3)采用聚苯乙烯泡沫塑料板(以下簡(jiǎn)稱苯板)保溫。

近來隨著新型建筑材料的問世,苯板越來越多地應(yīng)用于渠道的防凍脹處理,其防凍脹的主要機(jī)理是它具有保溫的功效,保證了渠基土不受負(fù)溫的影響。

苯板的選擇:a.要選擇重質(zhì)板,表觀密度不得小于 20 kg/m3。b.板的厚度選擇可按下式計(jì)算求得:

其中,δx為保溫材料厚度,m;R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計(jì)熱阻值,(m2?℃)/W;αW為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù);δc為基礎(chǔ)材料厚度,m;λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?℃);λc為基礎(chǔ)材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?℃)。

3 渠道防凍脹處理形式比較

在高地下水位區(qū),即使采取了斷絕土壤中水分補(bǔ)給的措施,仍難以保證阻止毛細(xì)水的上升,因此還必須采取其他防凍脹處理形式。

對(duì)渠基土進(jìn)行換填是一種防凍脹的處理形式,它既改變了渠基土的結(jié)構(gòu),又具有一定的保溫作用。它的優(yōu)點(diǎn)是:

1)當(dāng)渠道附近有大量換填材料時(shí),造價(jià)可能低;

2)由于對(duì)渠基進(jìn)行了徹底換填,當(dāng)質(zhì)量達(dá)到要求時(shí),可保證渠道永久不受凍脹危害。

同時(shí)也具有以下缺點(diǎn):

1)由于換填厚度大,土方工程量較大,當(dāng)換填材料運(yùn)距較遠(yuǎn)時(shí),造價(jià)較高;

2)施工難度大,清除了渠基原土,換填后的砂或砂礫石難以進(jìn)行夯實(shí),要達(dá)到施工規(guī)范要求,難度較大;

3)換填料的質(zhì)量難以把握,采用天然材料,很難尋找料源,若采用人工篩分料,則不經(jīng)濟(jì)。

鋪設(shè)苯板保溫,防止渠基土凍脹也是近年來漸漸采用的一種防凍脹處理形式。它只有保溫作用,不對(duì)基土進(jìn)行換填。其具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)抗凍效果好,采用10 cm的苯板即達(dá)到了換填100 cm砂或砂礫石的保溫效果;

2)施工方便,渠道開挖斷面較小,不對(duì)基土進(jìn)行擾動(dòng),直接將苯板置于基土上,在苯板上直接進(jìn)行襯砌材料的施工;

3)在一定條件下造價(jià)低,使用的施工機(jī)械少,人工省。采用苯板,不進(jìn)行基土換填,避免了大量土石方機(jī)械的使用,當(dāng)基土換填材料運(yùn)距大于一定距離時(shí),其造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)立即顯現(xiàn)。缺點(diǎn)是:在一定條件下,同換填相比,造價(jià)較高。當(dāng)基土換填材料運(yùn)距小于一定距離時(shí),其造價(jià)明顯高于換填處理。

2003年農(nóng)一師八團(tuán)建成并投入使用的南干渠為梯形斷面弧形渠底,渠深1.8 m,邊坡為1∶1.75,兩邊渠堤寬度為2.5 m,渠道外邊坡也為1∶1.5。渠道襯砌采用70 mm厚的 C20現(xiàn)澆板,混凝土板下部為60 mm厚的苯板用于防凍脹。渠基土為粉細(xì)砂,顆粒細(xì),保水性好,屬凍脹土。經(jīng)苯板防凍脹處理后,經(jīng)過5年的運(yùn)行,未發(fā)生凍脹破壞。

4 結(jié)語

凍脹問題在我區(qū)普遍存在,對(duì)渠道防凍脹處理方式的選擇,關(guān)系到渠道的造價(jià)和施工的難易,必須慎之又慎。個(gè)人認(rèn)為設(shè)計(jì)部門在今后設(shè)計(jì)工作中,應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,做好基礎(chǔ)資料的調(diào)查,采用合理的設(shè)計(jì)方案,把混凝土渠道的凍脹破壞降至最低點(diǎn),延長(zhǎng)使用壽命。

[1] SL 23-2006,渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范[S].