庹 世 華

1 工程概況

1.1 灌區(qū)基本情況

羅城灌區(qū)位于高臺縣西北部39.6 km，東經(jīng)99°34'32″，北緯39°40'43″，屬于中型灌區(qū)，轄1個鄉(xiāng)、13 個行政村，總面積1 284 km2，總灌溉面積4 606.67 hm2（6.91 萬畝），灌區(qū)內(nèi)地勢低洼，平均海拔1 300 m，灌區(qū)屬大陸性寒溫干旱氣候，冬夏較長，春秋較短，春季多風(fēng)少雨，冬季較為寒冷，具有日照時間長，太陽輻射高，晝夜溫差大，降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，光熱資源豐富等特點(diǎn)，灌區(qū)年平均降水量104.4 mm，多年平均蒸發(fā)量2 347.5 mm，多年平均氣溫7.6 ℃，最高氣溫38.5 ℃，最低氣溫-31 ℃，最熱日平均氣溫22.3 ℃，最冷日平均氣溫-9.7 ℃，最大凍土深106 cm。

1.2 改建渠道基本地質(zhì)條件

改建的羅城北干渠所屬5 條支渠均位于羅城灌區(qū)內(nèi)，地處黑河中下游酒泉東盆地東北部邊緣沖洪積、湖沼積細(xì)土平原區(qū)，區(qū)內(nèi)地形平坦開闊，總體地勢東南高西北低，地勢低洼；地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積或湖沼積粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂等，粉質(zhì)壤土分布于地表以下1.5～4.5 m，下部為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層或粉細(xì)砂與壤土互層，總厚度約15 m，下伏第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂礫石或含礫砂；地下水主要為第四系沖洪積細(xì)土平原區(qū)孔隙性潛水，水位埋深一般1～3 m，年變幅0.5～1.0 m，主要受黑河水補(bǔ)給，其次為灌溉回歸水補(bǔ)給，因地勢低洼，地下水徑流不暢，故蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，水質(zhì)極差，礦化度高達(dá)3～5 g/L，水化學(xué)類型以SO42-—Cl-—Mg2+—Ca2+型為主，并形成大片的鹽漬土，地表鹽堿薄殼厚3～5 cm。

1.3 改建渠道渠基土物理力學(xué)性質(zhì)

經(jīng)對改建的羅城北干渠所屬5 條支渠渠道在不同部位開挖探坑進(jìn)行地質(zhì)編錄并取樣試驗(yàn)，渠道均坐落于第四系全新統(tǒng)沖洪積、湖沼積粉質(zhì)壤土層上，大部分渠段為挖方渠、少部分渠段為半挖半墊方渠（墊方土質(zhì)仍為原地基土）。渠基粉質(zhì)壤土呈褐黃色或灰白色，潮濕-基本飽和，結(jié)構(gòu)稍密-中密，地下水位在渠底以下0.8～2.3 m。經(jīng)取樣試驗(yàn)（15 組平均值）：砂粒含量10.8%，粉粒含量78.9%，黏粒含量10.3%，按顆分定名為輕粉質(zhì)壤土；液限含水率37.4%，塑限含水率18.4%，塑性指數(shù)19.0，按塑性指數(shù)分類為低液限黏土；天然濕密度1.68 g/cm3，天然干密度1.31 g/cm3，天然含水率28.4%，飽和含水率38.0%，天然孔隙率49.8%，天然孔隙比0.992；滲透系數(shù)1.85×10-5cm/s，屬弱透水性，毛管水上升高度156 cm；易溶鹽含量3.16%，屬鹽漬土；有機(jī)質(zhì)含量0.71%；濕陷系數(shù)0.056，屬中等濕陷性土；壓縮系數(shù)0.38 MPa-1，屬中等壓縮性土，壓縮模量5.8 MPa。

1.4 改建渠道渠基土和地下水的化學(xué)性質(zhì)

由渠基土試驗(yàn)成果可知，絕大部分渠基土的易溶鹽含量均大于規(guī)范規(guī)定的0.3%，因而屬鹽漬土類。為研究鹽漬土的鹽脹性，現(xiàn)場按地表以下0.1、0.3、0.5、0.8、1.1 m 不同深度取樣進(jìn)行化學(xué)分析試驗(yàn)，試驗(yàn)成果（5 組平均值）：易溶鹽含量3.69%，易溶鹽化學(xué)成分：Ca2+離子含量1 197.5 mg/L，Mg2+離子含量286.1 mg/L，（Na++K+）離子含量598.5 mg/L，Cl-離子含量921.6 mg/L，SO42-離子含量3 868 mg/L，HCO-3離子含量184.9 mg/L，CO32-離子含量0.0 mg/L，離子總量7 056.8 mg/L，礦化度7.0 g/L，pH 值7.8；鹽漬土按化學(xué)成分（Cl-/2SO42-）分類為硫酸鹽漬土或亞硫酸鹽漬土，按含鹽量分類均為強(qiáng)鹽漬土；硫酸鈉含量平均為1.18%，鹽脹性分級為弱鹽脹性土，硫酸鈉含量最大為1.35%，屬中鹽脹性土（見表1）。

表1 鹽漬土化學(xué)分析試驗(yàn)成果表

經(jīng)對每條渠道采取地下水樣進(jìn)行化學(xué)分析試驗(yàn)：Ca2+離子含量200.6 mg/L，Mg2+離子含量212.8 mg/L，（Na++K+）離子含量265.4 mg/L，Cl-離子含量351.8 mg/L，SO42-離子含量1 135.7 mg/L，HCO-3離子含量295.6 mg/L，CO32-離子含量0.0 mg/L，離子總量2461.9 mg/L，礦化度3.6 g/L，pH 值7.5，水化學(xué)類型為SO42-—Cl-—Mg2+—Ca2+型為主，水質(zhì)極差；地下水水質(zhì)對普通混凝土均具硫酸鹽的強(qiáng)腐蝕性，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)均具中等腐蝕性。

2 問題的提出

改建渠道于2012 年10 月底完工，經(jīng)過一個冬季之后，2013 年2 月底發(fā)現(xiàn)已建成的5 條支渠均不同程度地出現(xiàn)了變形或嚴(yán)重變形，各渠道的上段和中段變形較輕，而下段變形嚴(yán)重。變形嚴(yán)重的渠段以襯砌混凝土預(yù)制塊的鼓脹、鼓脹裂縫、錯位、反錯臺、底部傾斜、頂部陡立、局部斷面已不規(guī)則等為主要特征；最大鼓起高度約12 cm，一般5～8 cm，最大鼓脹裂縫8 cm，一般2～4 cm，錯位錯臺均在1～6 cm 之間，底部頂部傾斜度在5～10°，最嚴(yán)重處斷面已不規(guī)則。各渠道的上段和中段變形較輕，屬輕微—中等變形，其中完好段占渠道總長40%左右，輕微—中等變形段占渠道總長30%左右；而下段則變形較嚴(yán)重，屬中等—嚴(yán)重變形，占渠道總長30%左右。另外，變形以挖方渠段較輕，半挖半墊方渠段較嚴(yán)重；陰坡比陽坡較嚴(yán)重，底部變形由陰坡向陽坡傾斜；地勢低洼處較嚴(yán)重，地勢較高處較輕微。

3 成因分析

3.1 鹽脹是主要原因

經(jīng)在各渠道下段變形最嚴(yán)重的部位進(jìn)行破壞性大開挖檢查，發(fā)現(xiàn)在原渠道防滲塑膜（未清除）下分布有厚2～5 cm 的硫酸鹽結(jié)晶體（純白色），最大厚度可達(dá)8 cm（局部），即最大鹽脹變形量可達(dá)8 cm，是下段渠道變形破壞的主要原因。由于特殊的地質(zhì)環(huán)境，工程區(qū)分布大片的強(qiáng)鹽漬土，且以下段半挖半墊方渠段相對集中構(gòu)成強(qiáng)鹽漬土渠基。依據(jù)化學(xué)分析試驗(yàn)成果，按規(guī)范進(jìn)行分類：（1）鹽漬土按含鹽化學(xué)成分分類，大部分為硫酸鹽漬土，局部為亞硫酸鹽漬土；（2）鹽漬土按含鹽量分類，均為強(qiáng)鹽漬土。

鹽漬土的鹽脹性主要取決于硫酸鈉（鹽）的含量，試驗(yàn)測得：地表下1.1 m 深度內(nèi)鹽漬土中硫酸鈉的平均含量為1.18%，最小1.08%，最大1.35%。按照《鹽脹性分級評價標(biāo)準(zhǔn)》，硫酸鈉含量Z（%）：0.5＜Z≤1.2 屬弱鹽脹性土（Ⅱ級）；1.2＜Z≤2 屬中鹽脹性土（Ⅲ級）。即渠基土大部分（硫酸鹽漬土）為弱鹽脹性土，局部（亞硫酸鹽漬土）為中鹽脹性土。

發(fā)生鹽脹的主要因素是地勢低洼，地下水位埋深淺，地下水徑流不暢，蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，水質(zhì)極差，在土體較大的毛管上升高度（156 cm）作用下，將地下水中高含量的硫酸鈉鹽向上遷移集聚到渠基土內(nèi)，且為多年累積，原渠道鋪設(shè)的防滲塑膜起到了更加集聚的作用，然后在冬季溫度發(fā)生變化的情況下就形成了硫酸鈉的結(jié)晶體而發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致渠道的變形破壞。鹽脹本身與冬季低溫關(guān)系密切，是伴隨凍脹而發(fā)生的，因此可并稱為鹽—凍脹破壞。

3.2 凍脹是次要原因

從渠道產(chǎn)生變形的季節(jié)時段和變形特征也反映了凍脹的客觀存在，其變形符合凍脹破壞的一般規(guī)律，且滿足發(fā)生凍脹的各種條件。首先是區(qū)域地質(zhì)條件處在細(xì)土平原沖洪積、湖沼積粉質(zhì)壤土細(xì)顆粒土質(zhì)區(qū)，粉、黏粒含量平均達(dá)89.2%，屬凍脹性土；其次是地下潛水埋藏淺，距渠底僅0.8～2.3 m，且徑流不暢，排泄受阻，試驗(yàn)所測土的毛管水上升高度達(dá)156 cm，地下水源源不斷地補(bǔ)充到渠基土中，使得渠基土的凍前含水率很高，實(shí)測凍土層的天然含水率達(dá)28.4%。因此，發(fā)生凍脹是必然的。

3.3 改建渠道砂礫石置換厚度與質(zhì)量不能滿足防凍脹和抗鹽脹要求

經(jīng)對置換的砂礫石進(jìn)行抽樣檢測，粉黏粒（＜0.075 mm）含量平均達(dá)15.2%，大于規(guī)范關(guān)于粗粒土粉黏粒含量10%的規(guī)定，屬凍脹性土；而且設(shè)計厚度過小，施工薄厚不均，不滿足防凍脹和抗鹽脹要求，也是渠道發(fā)生鹽—凍脹破壞的重要因素。

4 建議措施

（1）對挖方渠道應(yīng)清除渠基及渠堤內(nèi)的鹽漬土，再夯填砂礫石防凍脹材料。

（2）對填方渠道應(yīng)盡量避免采用渠道周邊表層鹽漬土，最好剔除表層50 cm 鹽漬土，用下部非鹽漬土進(jìn)行填筑。

（3）清除渠道內(nèi)的紅柳、雜草以及兩側(cè)淤積層，防風(fēng)沙入渠、采取排堿措施。

（4）渠道應(yīng)加強(qiáng)襯砌和防凍脹處理措施，采取提高混凝土襯砌標(biāo)號、添加抗硫水泥等防混凝土侵蝕的處理措施。

5 結(jié) 語

區(qū)域地質(zhì)環(huán)境形成工程區(qū)大片的鹽漬土。經(jīng)試驗(yàn)研究：鹽漬土按含鹽化學(xué)成分分類，大部分為硫酸鹽漬土，局部為亞硫酸鹽漬土；鹽漬土按含鹽量分類，均為強(qiáng)鹽漬土。鹽漬土的鹽脹性主要取決于硫酸鈉（鹽）的含量，本工程區(qū)大部分（硫酸鹽漬土）為弱鹽脹性土，局部（亞硫酸鹽漬土）為中鹽脹性土。

在冬季溫度發(fā)生變化的情況下，鹽脹性土中的硫酸鈉就會形成結(jié)晶體而發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致渠道的變形破壞。鹽脹本身與冬季低溫關(guān)系密切，是伴隨凍脹而發(fā)生的，可并稱為鹽—凍脹破壞。因此，在鹽漬土地區(qū)建設(shè)渠道工程時，應(yīng)加強(qiáng)勘察試驗(yàn)工作，評價渠基土的鹽脹性，采取一定的措施，保證設(shè)計與施工滿足防凍脹和抗鹽脹要求。