□趙 力(新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程建設(shè)管理局)

□王 恒（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）

□邢建營(yíng)(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

中央近幾年對(duì)農(nóng)業(yè)問(wèn)題尤其是農(nóng)業(yè)水利工程非常重視，投資力度在加大，政策傾斜度高，促進(jìn)了西北地區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)步伐。農(nóng)業(yè)水利工程基礎(chǔ)建設(shè)中很大一部分為渠道工程。在西北尤其新疆地區(qū)，渠道凍脹破壞問(wèn)題尤其嚴(yán)重，直接影響了渠道防滲效果和使用壽命，導(dǎo)致渠道停水返修，無(wú)法保證作物灌溉，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受損失。因此如何解決凍脹破壞問(wèn)題成為渠道設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵問(wèn)題。西北地區(qū)尤其是新疆地區(qū)渠道產(chǎn)生凍脹破壞的原因從設(shè)計(jì)角度出發(fā)進(jìn)行分析，提出了抗凍脹的應(yīng)對(duì)措施。

1.渠道發(fā)生凍脹破壞的原因

從作者多年實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)看，發(fā)生凍脹破壞的原因很多。經(jīng)過(guò)分析總結(jié)后，主要有以下幾個(gè)因素：土的性質(zhì)、環(huán)境溫度、土壤含水量、土的壓實(shí)性。凍脹破壞不是以上其中某一個(gè)因素的單一作用，而是4個(gè)因素綜合作用。

1.1 土的性質(zhì)

以新疆地區(qū)為例，南疆北疆土質(zhì)差異較大，但都屬于海洋性沉淀物質(zhì)。在灌區(qū)內(nèi)，渠道沿線所經(jīng)之處以粘土、粉質(zhì)粘土、夾沙粉土和大顆粒的砂礫石基礎(chǔ)為主。目前對(duì)土的凍脹性質(zhì)研究已有定論，即土的顆粒越小凍脹性越強(qiáng)。粒徑為0.075～0.1mm的土，會(huì)發(fā)生凍脹，但并不強(qiáng)烈；粒徑0.075～0.002mm的土，凍脹性最強(qiáng)。從微觀角度看，土的顆粒越小，其毛細(xì)作用明顯，更容易吸收空氣中的水分，因此凍脹性也增強(qiáng)。以上提到的土，凍脹性從高到低依次為：粘土＞粉沙質(zhì)粘土＞夾沙粉土，砂礫石沒(méi)有凍脹性。

1.2 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度是凍脹發(fā)生的必要條件之一。西北地區(qū)尤其新疆冬季氣溫較低，最低溫度達(dá)到-40℃。各地氣溫有所不同，凍脹發(fā)生的破壞程度不同。渠道走向也會(huì)影響凍脹的破壞能力。根據(jù)觀察，東西走向的渠道，由于渠道兩側(cè)邊坡接受太陽(yáng)光照射的時(shí)長(zhǎng)不同，陰面的一側(cè)凍脹嚴(yán)重，陽(yáng)面的一側(cè)次之。在新疆天山以北，冬季最低溫度發(fā)生在12-1月，土壤最大凍深可達(dá)1.6m，此時(shí)由于冰雪覆蓋，渠道已經(jīng)凍脹，但從外表不易察看。根據(jù)工程運(yùn)行看，南北疆的渠道雖地理位置不同，但是均有凍脹現(xiàn)象發(fā)生，以北疆渠道凍脹破壞最為嚴(yán)重，可見(jiàn)氣溫寒冷程度，將直接影響凍結(jié)深度。

1.3 土壤含水量

土壤含水量是產(chǎn)生凍脹的必要條件之一。土體中水分子由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，造成土體積增大，進(jìn)而形成凍脹。影響土壤含水量的因素主要有：土壤自身含水量、渠道外來(lái)水補(bǔ)充。粘性土持水量較大，砂礫石土持水量小，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)重視渠線的地質(zhì)資料，根據(jù)不同土質(zhì)提出不同設(shè)計(jì)方案。渠道滲漏會(huì)引起土壤含水量增大，因此要重視渠道施工質(zhì)量要求，精益求精。

1.4 壓實(shí)度

渠道土壓實(shí)密度越大，渠道發(fā)生凍脹的機(jī)率會(huì)變小，相反，土的壓實(shí)密度不足，渠道土松散，會(huì)給凍脹留下很大隱患。因此，對(duì)施工單位和監(jiān)理單位提出要求，施工過(guò)程中要重視渠道土的壓實(shí)度檢測(cè)。梯形渠道底部壓實(shí)相對(duì)容易，但是邊坡不易施工。施工單位應(yīng)選擇合適的機(jī)械和施工方法，壓實(shí)指標(biāo)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

除了以上主要4個(gè)影響因素外，凍脹還與渠道運(yùn)行管理有一定關(guān)系。渠道建成后，由于管理不善，渠道混凝土破壞不及時(shí)修補(bǔ)，加之入冬前輸水，水不可避免從縫隙中滲入渠床中，造成局部土壤水分飽和，造成凍脹破壞。另外渠道停水后有余水留存在渠道中不能及時(shí)排走，最終一部分蒸發(fā)到空氣中，一部分滲入土中，為渠道凍脹留下隱患。

2.凍脹破壞的形式

根據(jù)作者多年對(duì)渠道凍脹破壞的觀察，可以將凍脹破壞的形式分為3類。

2.1 渠道伸縮縫破壞

目前渠道襯砌絕大部分采用混凝土板?；炷涟蹇p是渠道中最關(guān)鍵也是最薄弱的部位。分縫處由于混凝土凝固收縮后，造成縫間開(kāi)裂，為水進(jìn)入渠床內(nèi)部留下通道。填縫材料可以起到填充縫間隙和止水的作用，但材料選擇不當(dāng)，不能適應(yīng)縫間的擴(kuò)張和收縮，不利于渠道長(zhǎng)久運(yùn)行。

2.2 混凝土板裂縫

混凝土板裂縫有多種原因，一是凍脹鼓裂造成；二是渠床壓實(shí)度不足，運(yùn)行后渠床沉陷造成。渠道混凝土板裂縫對(duì)渠道破壞極其嚴(yán)重，維修難度也很大，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，混凝土板發(fā)生縱向裂縫（順?biāo)鞣较颍┑恼冀^大多數(shù)，發(fā)生橫向裂縫的不多見(jiàn)。

2.3 邊坡滑塌

渠線選擇不當(dāng)，對(duì)地質(zhì)情況判斷不準(zhǔn)確，容易造成渠床塌陷。另外渠道壓實(shí)不夠，也會(huì)引起邊坡滑塌。

3.渠道設(shè)計(jì)防止凍脹發(fā)生的措施

針對(duì)以上提到幾個(gè)產(chǎn)生凍脹的因素，設(shè)計(jì)人員主要從以下幾個(gè)方面出發(fā)，在設(shè)計(jì)層面解決渠道凍脹問(wèn)題。

3.1 渠道開(kāi)挖處理

3.1.1 砂礫石換填法：其基本設(shè)計(jì)理念是用不具有凍脹性的土將渠床有凍脹性土的一部分置換。在西北地區(qū)，包括新疆、甘肅、陜北地區(qū)，當(dāng)?shù)厣暗[石戈壁料和粉細(xì)砂豐富，該種土料非常適合作為換填土料。通過(guò)對(duì)新疆地區(qū)渠道的調(diào)查顯示，采用換填法施工的渠道達(dá)到95%。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，最重要的是確定置換厚度的確定。目前最常使用的規(guī)范是《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL23-2006）。根據(jù)規(guī)范計(jì)算結(jié)果表明，新疆北部地區(qū)一般置換厚度在0.6～1.2m之間甚至更大，新疆南部地區(qū)置換厚度在0.3～0.8m之間。此時(shí)需要根據(jù)工程規(guī)模和投資情況對(duì)換填厚度調(diào)整。渠道規(guī)模大，建筑物級(jí)別高，按照計(jì)算厚度選取。如果是小型渠道，輸水流量小，往往投資額度有限，此時(shí)換填厚度可以減少。換填的砂礫石料和粉細(xì)砂含泥量不宜超過(guò)3%～5%。

3.1.2 渠床壓實(shí)法：從理論上分析，壓實(shí)的目的主要是使土的干密度增加，空隙率減小，同時(shí)滲水性降低。針對(duì)不同土質(zhì)設(shè)計(jì)者應(yīng)提出合適的指標(biāo)，規(guī)范規(guī)定，粘性土按壓實(shí)度控制，砂礫石或者粉細(xì)砂按相對(duì)密度控制。渠道必須經(jīng)過(guò)壓實(shí)后才可以進(jìn)行下一步施工工序。

3.2 防滲排水

防止渠道滲漏和地面徑流入滲，降低地下水位，是防止渠道凍脹的根本措施。目前防滲措施主要是鋪設(shè)土工膜，效果很好，比如瑪納斯河一級(jí)水電站長(zhǎng)約8km的引水渠，全段采用一布一膜防滲，自2006年投入運(yùn)行以來(lái)，沒(méi)有發(fā)生凍脹破壞。

3.3 隔熱保溫

所謂隔熱保溫，其實(shí)就是將渠床土和外界溫度阻斷，從而達(dá)到防凍脹的目的。在新疆地區(qū)，目前主要采用聚乙烯泡沫板來(lái)作為保溫材料。該種方法施工速度快，但對(duì)保溫板施工要求較高，保溫板縫之間應(yīng)結(jié)合緊密，不留空隙，真正形成阻斷作用。但是苯板厚度超過(guò)一定厚度時(shí)，經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)勢(shì)不如砂礫石換填法，應(yīng)做方案比選后確定。

3.4 渠道橫斷面結(jié)構(gòu)

目前渠道橫斷面結(jié)構(gòu)形式主要有：混凝土結(jié)構(gòu)，漿砌石結(jié)構(gòu)，干砌石結(jié)構(gòu)，原狀土結(jié)構(gòu)。根據(jù)西北地區(qū)近幾年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行效果，目前主要采用以下兩種橫斷面結(jié)構(gòu)。

3.4.1 弧型渠底結(jié)構(gòu)：由于渠道凍脹時(shí)產(chǎn)生向上的頂托力，弧形渠底受力時(shí)產(chǎn)生“拱”效應(yīng)，可以最大限度承受凍脹力。目前這種渠道橫斷面形式已經(jīng)列入相關(guān)規(guī)范中，在有凍脹性的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先選用。設(shè)計(jì)中對(duì)小型渠道（Q≤1.5m3/s）可以采用“U”形渠，對(duì)大中型渠道則選用弧形渠底+梯形邊坡形式。施工時(shí)弧形渠底采用現(xiàn)澆混凝土。

3.4.2 干砌石結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，投資較低，但是不能起到防滲作用，不適合水資源緊張的地區(qū)。干砌石結(jié)構(gòu)可以起到防護(hù)護(hù)坡沖刷，由于自身的松散性，可以適應(yīng)凍脹鼓起和凍脹回落兩個(gè)過(guò)程。

3.5 渠道管理

加強(qiáng)渠道日常維護(hù)和管理有利于防止凍脹發(fā)生。尤其在入冬前，對(duì)渠道破損的部位及時(shí)修補(bǔ)，一般混凝土板縫間應(yīng)重新灌注填縫止水材料，保證雨雪水不滲入內(nèi)部。北方地區(qū)有冬灌的習(xí)慣，但是在輸水過(guò)程中不能避免水滲入渠道，這些水分就成為凍脹的誘因，因此北方冬灌對(duì)渠道是非常不利的，解決辦法是采用節(jié)水灌溉，或者將冬灌時(shí)間提前。目前新疆兵團(tuán)絕大部分耕地采用節(jié)水灌溉，免去了冬灌。

4.結(jié)語(yǔ)

作者根據(jù)多年設(shè)計(jì)工作經(jīng)歷，針對(duì)西北地區(qū)渠道抗凍脹問(wèn)題，提出了自己的見(jiàn)解。文章分析了引起渠道凍脹的主要因素，提出了解決凍脹問(wèn)題的設(shè)計(jì)措施，對(duì)其他類似情形的渠道設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

[1]劉世春，張力平.混凝土襯砌渠道抗凍脹設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2008,(8):28.

[2]樊甲忍，武華昌，李志強(qiáng).襯砌渠道凍脹原理及抗凍脹計(jì)算[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2002,(4).