引黃灌區(qū)襯砌渠道凍脹破壞的原因及控制措施

引黃灌區(qū)襯砌渠道凍脹破壞的原因及控制措施

0渠道襯砌工程為了減少滲漏損失，提高渠輸能力，自20世紀(jì)70年代起，該工程開始過濾和支撐樹干。但由于寧夏地處季節(jié)凍土區(qū),氣候寒冷,因凍脹使襯砌工程破壞嚴(yán)重,造成工程維修費(fèi)用增加,使用年限降低,渠道安全運(yùn)行受限,工程效益不能充分發(fā)揮。據(jù)調(diào)查,寧夏20世紀(jì)七八十年代修建的渠道襯砌工程,以預(yù)制素混凝土板和現(xiàn)澆混凝土為主要襯砌型式,至90年代,因凍害幾乎已全部破壞,無法繼續(xù)使用。1998年以來,國家加大了大型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造的投入,灌區(qū)開始了較大規(guī)模的渠道襯砌工程,襯砌型式多種多樣,但對(duì)于半挖半填或挖方渠道,由于地下水位埋深較淺,基土含水量較高,凍脹破壞較為嚴(yán)重。2002-2003年對(duì)灌區(qū)在1995年后投入運(yùn)行、設(shè)計(jì)流量大于10m3/s的干渠砌護(hù)工程進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),運(yùn)行2a以上的襯砌渠道均出現(xiàn)不同程度的凍脹破壞。據(jù)調(diào)查,灌區(qū)渠道襯砌工程使用壽命為干渠15a,支斗農(nóng)渠不足12a,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。凍脹破壞使得已襯砌的渠道起不到有效的防滲效果,有限的水資源因滲漏而浪費(fèi)嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)2011年僅為0.43,低于全國0.5的平均標(biāo)準(zhǔn),很大程度上影響了工程效益的發(fā)揮和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,制約了我區(qū)水利建設(shè)的發(fā)展和節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)步伐。1影響支撐運(yùn)輸過程的凍脹和破壞重要因素1.1土壤凍脹分析試驗(yàn)研究證明,土顆粒粒徑大于0.1mm的飽和粗顆粒土中,在凍結(jié)過程中是幾乎不存在凍脹,土體凍脹系數(shù)為0.2%,其凍脹性屬極弱凍脹類;隨著粒徑減少或土體分散性增大,水分遷移量愈大,凍脹性也增強(qiáng)。粒徑為0.1~0.05mm時(shí),土體凍脹系數(shù)一般為0.5%~2.0%,其凍脹性屬于弱凍脹類;土顆粒粒徑為0.05~0.002mm時(shí),凍結(jié)期水分遷移非常劇烈,凍土層中形成厚度不等的冰透鏡體,土體凍脹系數(shù)在3.0%以上,其土凍脹性屬強(qiáng)凍脹類。根據(jù)國內(nèi)的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論,按土的凍脹性強(qiáng)弱依次排列為:粉質(zhì)土、亞沙土>亞黏土、重壤土>輕壤土>沙壤土>砂礫土(<0.05mm粒徑的含量超過12%)>粗砂>砂礫石。當(dāng)粒徑為0.05~0.002mm的顆粒含量大于60%時(shí),最具凍脹危險(xiǎn)。碎石、風(fēng)積沙屬不凍脹性土和弱凍脹性土,可作為渠基換填土,但當(dāng)長時(shí)間灌入細(xì)粒泥漿時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的凍脹變形。寧夏引黃灌區(qū)的主體為黃河沖積平原,灌區(qū)經(jīng)多年的引黃灌溉,表層土壤主要以灌淤土為主,部分地區(qū)有淡灰鈣土、草甸土和鹽土,并有插花分布的白僵土。灌區(qū)土壤以粉沙、細(xì)沙為主,間夾黏沙土、沙黏土透鏡體,下伏沙層。西干渠沿線均以中細(xì)沙、粉細(xì)沙為主。根據(jù)灌區(qū)干渠土質(zhì)調(diào)查,粉質(zhì)壤土占63.3%、粉質(zhì)黏土占10%,沙壤土占23.3%、細(xì)沙占3%?；粱旧蠟楸韺臃圪|(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土和沙壤土,根據(jù)上述分析結(jié)論均屬于強(qiáng)凍脹土,土體凍脹系數(shù),這是造成襯砌渠道凍脹嚴(yán)重的原因之一。1.2氣溫及凍結(jié)指數(shù)根據(jù)引黃灌區(qū)30年氣候觀測(cè)資料分析,年平均氣溫為8.4℃;一年之中平均氣溫7月最高,平均溫度為23℃,1月最低,平均氣溫-9℃,極端最低氣溫-30℃,30年平均負(fù)溫天數(shù)107d;平均凍結(jié)指數(shù)為666.7℃·d;-10℃以下的天數(shù)為70d,-20℃以下的天數(shù)為8d。灌區(qū)地溫變化滯后于氣溫的變化,隨著地層深度的增加,滯后期也越長。根據(jù)有關(guān)氣象資料分析,多年平均地面溫度為11.2℃。一年中7月最高,平均地面溫度為29.8℃;1月最低,平均地面溫度為-8.5℃。有關(guān)氣溫、地溫參數(shù)見表1和表2。由于灌區(qū)冬季氣溫低,歷時(shí)時(shí)間較長,給渠道基土凍脹造成了有利的先決條件。1.3渠道地溫實(shí)測(cè)結(jié)果寧夏引黃灌區(qū)屬季節(jié)性凍土地區(qū),土壤凍結(jié)一般產(chǎn)生于當(dāng)年的11月中下旬,次年的2月中旬凍土深度達(dá)到最大值。根據(jù)水科所多年實(shí)測(cè)結(jié)果:渠道坡角最大凍深值青銅峽河西灌區(qū)為97.5cm,賀蘭地區(qū)為95cm,平羅、石嘴山地區(qū)為93cm。4月下旬凍土基本全部融化,整個(gè)凍結(jié)周期平均170d左右。灌區(qū)大地地溫與渠道地溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3,地面凍土深度與渠道凍土深度見表4。由于冬灌渠道滲漏,造成基土含水量大,近1m的土體因凍脹體積膨脹,產(chǎn)生較大的凍脹力和凍脹量,致使襯砌渠道破壞嚴(yán)重。1.4渠道基土含水量對(duì)渠道凍脹的影響渠基土的水分條件是渠道防滲工程凍害的決定性因素。試驗(yàn)結(jié)果表明:黏土、亞黏土的起始含水量為12%~17%,亞沙土的起始含水量為10%~14%,沙質(zhì)黏性土的起始含水量為9%~11%,含粉粒的卵礫石的起始含水量為8%~10%,細(xì)沙的起始含水量為7%~9%。凍結(jié)期,渠床基土的含水量越大,凍脹量越大。由于灌區(qū)冬灌渠道停水較晚(11月20日),這時(shí)渠道基土含水量基本達(dá)到飽和狀態(tài),渠道停水前后平均氣溫已降至0℃左右,在土體內(nèi)的水分尚未充分下滲遷移時(shí),基土表層已開始產(chǎn)生凍結(jié)。土壤凍前含水量直接影響土體的凍脹,它們之間的關(guān)系成正比。灌區(qū)實(shí)測(cè)資料表明,當(dāng)渠道基土凍前含水量達(dá)到15%時(shí),基土即產(chǎn)生凍脹。而灌區(qū)渠道停水后,基土含水量一般在27.8%~30%(0~1.0m土層)。這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于渠道基土起始凍結(jié)含水率,加之灌區(qū)地下水位較高,在土壤毛管抽吸力的作用下,使地下水能夠不斷的向表層土壤凍結(jié)面遷移,致使襯砌渠道凍脹破壞加劇。灌區(qū)典型渠道基土含水量變化監(jiān)測(cè)見表5。1.5凍脹不均勻系數(shù)k值的計(jì)算渠道基土的凍脹量與渠道的土質(zhì)、土壤含水量、地下水位、氣溫、地溫關(guān)系密切。寧夏水利科學(xué)研究所近年來對(duì)引黃灌區(qū)未襯砌土渠試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果為:青銅峽河?xùn)|灌區(qū)的漢渠,12月渠道基土平均凍脹量4.02cm,最大凍脹量6.40cm;1月渠道基土平均凍脹量8.23cm,最大凍脹量9.50cm;2月渠道基土平均凍脹量10.27cm,最大凍脹量11.7cm;3月渠道基土平均凍脹量6.6cm,最大凍脹量10.3cm;4月中旬,凍層全部融化。惠農(nóng)渠平羅段,12月渠道基土平均凍脹量5.01cm,最大凍脹量7.6cm;1月渠道基土平均凍脹量11.09cm、最大凍脹量12.9cm;2月渠道基土平均凍脹量12.91cm,最大凍脹量13.2cm;3月渠道基土平均凍脹量7.93cm,最大凍脹量12.3cm;4月中旬凍層全部融化。不同襯砌結(jié)構(gòu)型式的試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果分析比較表明:凍脹量在渠道斷面上的分布以U形渠較均勻,平底弧角梯形渠道和弧底梯形渠道次之,梯形渠最不均勻。將相鄰兩測(cè)點(diǎn)的凍脹量差值與其間距的比值,定義為凍脹不均勻系數(shù)K值,算出各種渠道型式的凍脹不均勻系數(shù),具體見表6。由表6可知,U形渠的最大K值為6.28×10-3,弧角梯形渠的最大K值為12.61×10-3,弧底梯形渠的最大K值為20.338×10-3,其位置均在渠底;梯形渠渠底的最大K值為45.19×10-3,而渠坡下部的K值最大,分別為95.09×10-3和82.28×10-3。1.6渠道襯砌土凍脹地下水埋深是影響凍脹性的重要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)土體凍深有影響的地下水埋深范圍,應(yīng)小于等于土壤毛細(xì)管水上升高度與土體凍深之和。不同土壤地下水對(duì)凍脹無顯著影響的臨界深度為:黏土、重粉質(zhì)黏土200cm,重壤土、中壤土150cm,輕沙壤土100cm,沙50cm。地下水位變化不僅對(duì)渠道輸水滲漏存在影響,而且對(duì)渠道襯砌基土凍脹量影響強(qiáng)烈,是襯砌渠道凍脹破壞的重要原因。引黃灌區(qū)地下水位的變化隨農(nóng)業(yè)灌溉周期而變化。每年3月下旬凍土開始融化,土壤水分下滲,致使地下水位開始上升,4月下旬末渠道放水,農(nóng)田開始灌溉,地下水位出現(xiàn)第1個(gè)高峰值,埋琛在1.0m左右;7月下旬隨著小麥?zhǔn)崭詈髲?fù)種灌溉等,致使地下水位出現(xiàn)第2個(gè)高峰值,埋深在0.8m左右;10月下旬冬灌開始,由于灌溉面積大,而且灌溉時(shí)間集中,這時(shí)地下水位急劇上升,達(dá)到全年最大值,埋深0.5~0.7m。隨冬灌結(jié)束,土壤封凍,地下水位迅速下降,第2年的2月初地下水位下降至最低值,埋深在2.3~2.5m。根據(jù)多年地下水位實(shí)測(cè)資料,灌區(qū)主要干渠在不同時(shí)期渠底距地下水面的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料見表7。2結(jié)論分析與抗凍腫脹措施2.1土體內(nèi)部應(yīng)力作用導(dǎo)致冷血面的變化根據(jù)調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果,渠道襯砌體的凍害主要是襯砌體下土體的凍脹引起的,對(duì)土體顆粒位移的熱篩效應(yīng)及對(duì)流遷移理論分析可知,寒冷地區(qū)地表土層由于氣溫年周期波動(dòng)產(chǎn)生反復(fù)凍結(jié)和融化,突出表現(xiàn)在3個(gè)方面:一是由于水分遷移引起分凝冰層出現(xiàn),導(dǎo)致土體凍脹;二是伴隨水分遷移產(chǎn)生溶質(zhì)遷移,引起土層中高濃度帶出現(xiàn),導(dǎo)致土層中融弱層的產(chǎn)生;三是內(nèi)外應(yīng)力作用下土顆粒位移,引起冷生剖面的變化,導(dǎo)致土體性質(zhì)改變及部分不良物理地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)。寧夏灌區(qū)實(shí)行冬灌,渠道停水時(shí)間在11月20日,此時(shí)氣溫已降至0℃以下,由于渠道滲漏使大量水分滲入土體,停水時(shí)土體處于高含水狀態(tài),土壤含水量增大。冷空氣的侵襲,使土體水分遷移引起分凝冰層產(chǎn)生,導(dǎo)致土體凍脹和融弱層的出現(xiàn)及冷鋒面的變化,破壞土體原結(jié)構(gòu)。長期的低溫,使土體表層與深層冷暖面溫差越來越大,凍結(jié)緣不斷將未凍區(qū)域水分遷移到冰凝層,使凍結(jié)緣越來越厚,在地下水位較高地域更嚴(yán)重。冰體使土體體積膨脹增大,受到襯砌體的約束而產(chǎn)生膨脹力。當(dāng)襯砌體厚度薄、強(qiáng)度小、整體性差時(shí),難以抵抗過大的凍脹力,便發(fā)生剝蝕掉片和裂縫現(xiàn)象,使襯砌體結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)由于土體內(nèi)外應(yīng)力作用使土顆粒位移,引起冷鋒面的變化。加之凍結(jié)歷時(shí)增長而引起凍結(jié)緣變化和多層冰凝層的形成并快速發(fā)育,使剪應(yīng)力超過襯砌體抗剪強(qiáng)度,便發(fā)生襯砌體折斷或滑坡,渠道襯砌工程隨之失去原有的防滲作用。2.2渠道坡腳防護(hù)針對(duì)凍脹破壞嚴(yán)重的技術(shù)難題,通過試驗(yàn)研究后,在渠道砌護(hù)中采取以下防凍脹措施,效果顯著。(1)選擇合理斷面形式及襯砌結(jié)構(gòu)。流量小于5m3/s的渠道斷面采用U形和弧形底梯形,大于5m3/s的渠道斷面采用弧形坡腳梯形,將凍脹最嚴(yán)重的渠道坡腳和渠底部位采用20cm厚的C20現(xiàn)澆混凝土圓弧坡腳,充分利用圓弧的反拱作用抵御凍脹;邊坡襯砌結(jié)構(gòu)為:6cm厚