王金恒

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

1 基本情況

1.1 工程概況

景電一期工程地處甘肅省白銀市景泰縣中部，在1969年底開始施工，到1971年底上水，是甘肅省至今50年以來最早建成的大Ⅱ型電力提水灌溉工程，具有跨省區(qū)、梯級多、高揚程、流量大等特點。耗資約6 608萬元，該灌區(qū)呈長方形形狀，總面積達36 680公頃，其中適宜于農(nóng)業(yè)土地面積約占68%；灌區(qū)內(nèi)地表水和地下水資源十分短缺，灌區(qū)從黃河提水。設(shè)計流量28.6，加大流量33，建有泵站43座，裝機容量達25.97×104kW，其中主要提灌泵站13座，有6座坐落于總干渠，5座在西干渠，剩余2座位于總二支渠上；建成干、支、斗渠共1 391條，總長2 422 km，總投資8.56億元，工程設(shè)計等級為Ⅲ等4級。該工程整體規(guī)劃、分期建設(shè)。景電一期工程以“高揚程、大流量”而享有盛譽。

1.2 工程改造的重要性和必要性

景電一期工程始建于1969年，當(dāng)時有很多方面條件制約，工程設(shè)計不全面，施工標準低，施工質(zhì)量相對落后。從剛開始上水年底起，短短幾個月，就有一些渠道發(fā)生了不同程度的滲水情況，甚至有地方出現(xiàn)水流跨渠淹沒農(nóng)田等現(xiàn)象，給灌區(qū)造成很大的損失，通水50多年來，渠道的混凝土自然老化，襯砌保護層脫落，滑坡現(xiàn)象日趨嚴重，該工程正常運行已存在安全隱患。因此，為使得工程正常且安全運行，在1996年將一些損壞嚴重的渠段列為“景電一期灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目”的重點，每一年都進行檢查和優(yōu)化。

在中國北方季凍區(qū)，渠道的襯砌構(gòu)件變形或損壞是影響施工效果發(fā)揮的主要原因。通過現(xiàn)場研究總結(jié)，渠道的襯砌構(gòu)件變形或損壞形式主要分成兩類：一類是施工質(zhì)量不過關(guān)，制造過程中襯砌結(jié)構(gòu)本身不符合設(shè)計標準，從而導(dǎo)致渠面出現(xiàn)裂縫，嚴重渠面還會出現(xiàn)局部塌陷等，相應(yīng)的渠道防滲能力大大下降，水量損耗嚴重；而另一類是渠床基土不斷發(fā)生凍融循環(huán)而造成渠道結(jié)構(gòu)變形甚至破壞，原理主要就是“冷脹熱縮”，最終導(dǎo)致襯砌板隆起、折斷、坡面失穩(wěn)滑動，襯砌結(jié)構(gòu)遭到破壞，該渠道破壞斷面對渠道過水能力有很大不利影響，在工程運行過程中存在很大安全隱患，是現(xiàn)在大多工程單位急需解決的一項重大難題。

2 渠道襯砌變形破壞原因分析

2.1 人為因素

在工程設(shè)計階段設(shè)計人員沒有對渠道基土進行研究分析，沒有對地下水監(jiān)測調(diào)查，只僅僅做了一些前期的水力計算和普通的襯砌造型設(shè)計，導(dǎo)致工程運行過程中襯砌結(jié)構(gòu)破壞；還有一種情況是在設(shè)計方案合理的前提下，施工管理人員在施工階段懈怠，沒有嚴格地把控施工質(zhì)量，造成后期渠道通水后有一定風(fēng)險。這種渠道襯砌變形破壞，根本原因是設(shè)計與施工階段人為造成的。

2.2 凍害類型

景電灌區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，冬天溫度?℃以下，零下氣溫對渠道襯砌與防滲工程是否良好起著至關(guān)重要的作用。渠道破壞主要有凍脹破壞、冰凍破壞和凍融破壞。該灌區(qū)的凍脹破壞，分為以下三個階段：

（1）形成階段。凍結(jié)期在灌區(qū)冬灌停水后就開始了，經(jīng)檢測，渠道基土水分含量較高，尤其在粘土地段。在季凍區(qū)，每年的三、四月份施工過程中不難發(fā)現(xiàn)，渠庫基土在此時間段內(nèi)形成飽和或不飽和凍土層，因為凍土層水量豐富，所以一些地段的凍土層在凍融后產(chǎn)生了膨脹變化表面開裂。因為該階段整體上變形很小，肉眼不容易發(fā)現(xiàn)，所以，人們將這一微小的凍脹過程產(chǎn)生的變形忽略不計，假定渠道結(jié)構(gòu)基本是完好的，該過程引發(fā)凍脹的各因素相互疊加，是渠道襯砌膨脹隆起、開縫脫落的起始階段。

（2）發(fā)展階段。該階段由于土壤、水、溫度等因素耦合作用，凍脹量隨著時間推移逐年增加，裂縫數(shù)量及規(guī)模也加劇，局部不均勻膨脹愈加明顯，襯砌砼板發(fā)生錯動甚至脫落，這一過程就是惡性循環(huán)過程。

（3）破壞階段。該階段在不斷凍脹循環(huán)的條件下襯砌板發(fā)生變形和位移，局部襯砌板會發(fā)生破碎，渠道斷面整體發(fā)生偏心。經(jīng)過凍脹過程，凍結(jié)層初始融化發(fā)生在春灌期間，凍結(jié)層下部仍處于凍脹狀態(tài)，該凍結(jié)層不透水，土體水分達到飽和，土體抗剪強度低，穩(wěn)定性差，上層未凍結(jié)構(gòu)順著凍結(jié)層冰面發(fā)生位移，此時，襯砌混凝土板無支撐作用而開始下滑，襯砌混凝土板掉落。該灌區(qū)渠道凍脹破壞如下圖1、圖2所示。

圖1 渠道凍脹破壞

圖2 渠道凍脹破壞

在景電工程設(shè)計方案中已包含了抗凍脹部分，因為固定投資額有所限制，所以不能完整的消除凍脹破壞現(xiàn)象，襯砌層保護的基土為強凍脹性土質(zhì)，防滲能力較差，導(dǎo)致土壤中水分含量遠高于初始凍脹時土壤含水量；在溫度零下的冬天，由于凍結(jié)作用，土壤中水分開始運移并集中，程度嚴重會出現(xiàn)冰夾層，平常只會出現(xiàn)冰晶體，土體自身發(fā)生膨脹，膨脹的程度由各種條件決定，順著渠道斷面表現(xiàn)形式不同，使得渠道發(fā)生了變形和破壞，渠道工程的運行年限大大縮短。

3 六棱體混凝土板襯砌的優(yōu)劣

六棱體混凝土板襯砌渠道是景電灌區(qū)引進的一項新技術(shù)，渠道護面采用正六邊形混凝土板鋪設(shè)，填縫采用聚氯乙烯泥。從渠道襯砌完成后，經(jīng)過實際運行，效果非常好，六棱體混凝土板襯砌形式簡單，六棱體六條邊縫存在水壓力分散，結(jié)構(gòu)合理，應(yīng)力相對減少，防凍脹效果非常好，在景電灌區(qū)已經(jīng)開始大力推廣。

3.1 主要優(yōu)勢

在單位塊體面積相等的情況下，對于等面積的渠道面，鋪設(shè)正六邊形混凝土預(yù)制板塊，其板塊之間的總縫長度小于鋪設(shè)正四邊形所形成的縫隙。正六邊形襯砌板塊與其他各形狀板塊相比，正六邊形襯砌板塊之間的機械咬合作用強，所以在渠道發(fā)生凍脹時正六邊形襯砌板塊遭受破壞的程度及范圍就大大減小。綜上，六棱體混凝土板襯砌渠道在保障接縫質(zhì)量的前提條件下，可以有效降低渠基土壤含水量和控制護面范圍，是一種良好的應(yīng)對凍脹破壞的襯砌形式。六棱體襯砌結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 六棱體襯砌渠道

3.2 渠道防滲抗凍襯砌結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

在景電一期渠道工程實驗研究經(jīng)驗證明，渠道表面使用六棱體混凝土板襯砌對降低渠道凍脹有很好的效果，還能防止渠底淤積，不影響水流過流能力，因此這種六棱體襯砌結(jié)構(gòu)該推廣使用。砼板一般為100～150號砼，厚度采用6～8 cm，實踐證明，在3 m/s以下流速板厚6 cm就可以確保安全。更重要的是對基層采取合理的抗凍脹措施：如換填基土（30～60 cm砂礫石）。首先對凍土翻夯使得土質(zhì)干容重達到最大，再在基土上鋪設(shè)土工膜防滲。在西北一些很容易發(fā)生凍脹的地區(qū)，擋土墻結(jié)構(gòu)非常實用，為方便起見當(dāng)?shù)匾胸S富的石料資源，使用擋土墻結(jié)構(gòu)必須確保襯砌施工質(zhì)量，否則會發(fā)生嚴重滲水。為防止?jié)B水，對渠道表面還可以采用水泥沙漿抹面，景電一期總干渠四至五泵站就采用了之一方法，并且渠道運行多年完好無損。對于地下水位較低的灌區(qū)，渠道采用砼與塑性薄膜復(fù)式結(jié)構(gòu)，最下層是2～3 cm塑性薄膜，起防滲作用，避免基土含水量高而發(fā)生凍脹，過渡層采用50#水泥砂漿，最后在上邊鋪設(shè)六棱體混凝土板，六棱體混凝土板厚5～6 cm，混凝土板可以防下滲、防沖刷、防滑塌，對于渠道發(fā)生輕微凍脹有較好的適應(yīng)性，凍融前后渠道表面基本未發(fā)生凍脹破壞，但這一方法對于地下水位較高的凍脹區(qū)不適合。而對于地下水位較高的灌區(qū)，當(dāng)渠道下基土為粘土或壤土?xí)r，由于地下水的影響會發(fā)生強凍脹，渠道會發(fā)生十分嚴重破壞，這時可以采用砂礫石墊層換填，換填層厚度30～70 cm，換填層上再鋪設(shè)不透水薄膜，過渡層采用50#水泥砂漿，表面鋪設(shè)六棱體混凝土板，這樣可大幅度降低凍脹量，減少襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。以上方案是經(jīng)實踐證實可以推行的設(shè)計方案。

4 結(jié)語

在對渠道襯砌凍脹變形的成因分析后，以及實際原型試驗表明，西北地區(qū)高揚程灌區(qū)渠道表面采用六棱體砼板襯砌結(jié)構(gòu)這一方案可行性高，可以有效地減小渠道凍脹破壞，該設(shè)計方案從各方面來說安全、經(jīng)濟、合理，可以更大程度的增加渠道工作時間。其效益主要有以下幾點：（1）相比較其他形狀襯砌結(jié)構(gòu)，采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)更能降低凍脹量，避免渠道破壞。（2）采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)可降低水流在渠道運行時的損失率，為農(nóng)業(yè)灌溉額外提供一部分可觀的水量。（3）采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)可減少維修費用，確保渠道能夠長周期安全運行。（4）采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)可有效防止水流下滲，減小對地下水的補償，降低地下水位，防止或改善土壤鹽堿化。（5）綜合考慮，采用六棱體混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)這一方案可以為灌區(qū)農(nóng)業(yè)豐收提供保障，推動灌區(qū)經(jīng)濟的繁榮發(fā)展。