1、防渗抗冻措施在星火干渠中的应用【摘 要】文章论述了星火干渠运行情况，分析了渠道防渗工程破损的主要原因，提出了渠道防冻胀的技术措施和管理措施。【关键词】防冻胀；设计；管理措施【中图分类号 】 TV52 【文献标识码 】 A 【文章编号】1008-1151(2006)06-0081-03一、前 言乌图布拉格镇（简称乌镇）是博乐市的主要棉花种植区和蔬菜种植区，是以农业为主、农牧业相结合的生产地区。乌镇现有 20 个行政村，由蒙古族、汉族、维吾尔族、哈族、回族等民族组成。全镇总人口为 14391 人，耕地面积有 61400 亩，农区主要种小麦、玉米、棉花、甜菜、蔬菜、枸杞及其它经济作物。星火干渠是乌镇
2、主要引水干渠之一。工程经过 20 多年的运行，已老化。 且年久失修，带病运行，存在冻胀破坏，破损率达 60%。渠道渗漏严重，灌溉水利用率由原设计的 0.60 下降到 0.49，干渠设计流量由原设计 的 2.5m3/s 减少到 2.0m3/s。对干渠来说，渠道防渗和防冻不仅是一项重要的节水措施和安全措施，而且是一项重要的节能措施。因此必须对干渠进行防渗防冻和节水改造。二、渠道现状（一）渠道防渗工程破损情况星火干渠位于博乐市团结路和乌镇之间，渠道两边是农田和部分居民区。干渠于 1977 年修建，总长 18.5Km，设计流量为 2.5m3/s。渠道虽然为梯形断面，现浇砼板防渗，但运行多年，渠道年久矢
3、修，工程已老化。另一方面渠道冻胀比较普遍，现浇混凝土板砌衬的渠道，因冻胀整体隆起形成 1020cm 的大包，冻融交体从隆起大包处常发生渗漏。现状大部分渠段已被淤平、过水断面缩小，影响正常引水。渠道实际引水流量只有2.0m3/s，灌溉水利用系数 0.49 ，在保证率 p=75%来水情况下年缺水量达到 354.82 万立方米，作物得不到适时适量灌溉，作物受到减产，直接影响项目区经济发展。三、渠道防渗工程破损的原因（一）冻胀破坏新疆冬季气候寒冷，冬寒、夏热。根据博乐市气象站资料，本工程区最冷月（一月）的多年平均气温为-18.1，属于寒冷地区气候，最大冻土深度为 1.5m 左右， 因星火干渠每年引水期
4、为 4 月初起始至 9 月中旬结束，停水晩，渠道冬季存在冻胀。过去人民对冻害的问题认识不够，渠道设计注重考虑防冲和防渗问题，对渠道冻胀考虑不周，大部分渠道因冻胀破坏造成的渗漏也相当严重。例如根据工程现场调查时，渠道有明显裂缝和下部隆起的达 6Km， 最大冻胀位移值 1.32cm， 属于 I 类冻胀区。以上受到不同程度破坏的占 60%。（二）老化矢修工程在运行其间受资金等条件的制约得不到及时的维修和养护，加之农民不合理灌溉、取土等人为破坏，加剧了渠道防渗工程的老化进程。四、渠道防渗防冻破坏的措施（一）渠道断面形式的选择星火干渠考虑到已运行多年，各分水闸和田间工程基本配套，根据现场勘察，原渠线和渠
5、系建筑物位置基本合理，可以满足灌溉和管理要求。为了不占耕地，降低工程投资，干渠基本沿用老渠线。渠道前段桩号 0+0008+050 ，由于原渠道纵坡较缓，断面大，并且部分渠段穿越市区建筑物底下，改变原断面形式，会增加投资及施工难度，该段仍采用原梯形断面；从桩号 8+05010+337 段采用 U 型断面，并适当调整渠道纵坡，原衬砌更新改造，保证水流顺畅。1衬砌结构形式的合理选择为了解决星火干渠的冻胀问题，该渠道的衬砌形式采取：一是砼预制板+砂砾料换填；二是砼预制板+中密苯板等两种方案。方案一：砼预制板+砂砾料换填。根据渠道的抗冻胀计算，渠道砼预制板保护层以下各部位应采取换填垫层，换填材料采用砂砾
6、料（不冻胀土），渠道各部位的换填厚度为：渠底85cm、渠道阳坡 62cm、渠道阴坡 98cm。渠道换填投资为 308.45 万元。优点：一是能有效的减少衬砌板的冻胀，而且防止冻害现象；二是施工方便；三是耐久性强。缺点：一是施工区没有砂砾料，从博乐市砂石料场拉运（运距 11 公里）；二是换填层较厚，工程量较大；三是防渗能力差，且需劳力多；四是投资高，不经济。方案二：砼预制板+中密苯板。在渠道砼预制板保护层下铺设聚苯乙烯保温板（中密苯板抗冻），其厚度可按设计换填深度的 1/10-1/15 取用，1 cm 的苯板厚度相当于 15cm 换填厚度。经计算，渠道各部位苯板厚度取：渠底 6cm、渠道阳坡 5
7、cm、阴坡 7cm。渠道苯板投资为 95.64 万元。优点：一是能削减冻深和冻胀；二是薄而自重轻，强度高，吸水性低；三是运输和施工方便；四是苯板材料使用寿命为 30 多年；五是苯板投资比砂砾料投资低；六是是一种新技术、现已广泛使用。通过以上两种方案的比较，方案二（砼预制板+中密苯板抗冻方案），从 技术、经济、防渗抗冻、施工、运输、耐久性等方 2梯形断面渠道从桩号 0+0008+050 段为梯形断面，采用砼预制板衬砌，渠道纵坡在9.63.3之间，渠道设计流量在 2.52.0m3/s 范围内，渠道边坡系数为 1:1.5，糙率根据规范取 0.017，渠底均采用 C20 现浇砼板防渗，边坡采用 C20
8、 砼预制板，其规格为84060cm，抗渗等级 W4，抗冻等级 F200。渠道现浇砼底板厚度取 8cm。梯形断面渠道设计依据为灌溉与排水工程设计规范GB50288-99。为了解决冻胀问题，通过渠道冻胀量计算，渠道砼预制板保护层下铺设聚苯乙烯保温板（中密苯板抗冻）措施，故可以减轻冻害、裂缝和错台现象，可以延长渠道的使用寿命。3 “型 ”断面从桩号 8+05010+337 段采用 U 型断面设计，其长度 2287m，设计流量为1.5m3/s，U 型断面具有较好得输水输沙能力，占地较小，省工省料，而且整体性好，有抵抗基土冻胀破坏的能力较强等特点。U 型断面下部设为半圆形，圆弧半径为 R=600mm，外
9、倾角 a=10，圆心角为 =160，糙率 0.017，板厚 6cm，纵坡在 7.54.2之间。U型渠道采用 C20 砼预制板，渠顶加砼预制块压顶，其尺寸为 3030cm。（二）冻胀计算渠道冻胀设计根据博乐市气象站资料，该区属新疆准噶尔盆地中温带荒漠、半荒漠气候区，总的特点是夏季炎热，冬季严寒，年平均气温 7.3，极端最高气温 44.2，极端最低气温-36.4，最冷月（一月）的多年平均气温为-18.1，属于寒冷地区气候；当地多年实测最大冻土深度为1.5m，抗冻等级 D200。根据现场实测地质情况渠道沿线土质为粉质壤土，属于冻胀性土。依据渠道防渗工程技术规范，计算渠道冻胀量。1. 冻胀计算设计冻深
10、：Hd=KpKdKzHo式中：Ho为标准冻深，mKp为冻深年际变化的频率模比系数Kd为日照及遮阴程度影响系数Kz为地下水位影响系数Kd=a+bi式中：i为典型断面某部位 i 的日照及遮荫程度影响系数值a、b系数，根据渠道所在的气候由渠道防渗工程技术规范图 1123 查得：P=10%时， Ho=1.50cm， Kp=1.12，轻壤土：a=0.63，查图 1121 得：i=1.06渠道基本上为东西走向，渠道所在气候区、渠道计算断面的轴线走向、断面形状和计算点位置，分别由表 11-4 和表 11-5 查得。B/H=1.10/1.0=1.1，m=1.50a:阴面-2.24 ；底面 0.41；阳面 4.
11、53b:阴面 3.25；底面 0.61；阳面-3.53Kd= a+bi阴：Kd=1.205 底：Kd=1.057 阳：Kd=0.788Kz=(1+a e-Zw0)/(1+ae-Zw1)式中：Zw1-地下水位埋深，24.4mZw0-为邻近气象台（站）的地下水位深度，m轻壤土：Zw02.5m 时 Zw0=2.5mKz=(1+a e-Zw0)/(1+ae-Zw1) =1.05设计冻深：Hd=KpKdKzHo阴：Hd=2.126m 底：Hd=1.864m 阳：Hd=1.390m2冻胀量渠道属 IV 级工程，用（1114 ）式计算冻胀量h=a f Hd/100f=a2(w-2 w)式中：a2为系数，取值
12、范围 0.40.5，取 0.42为系数，取值范围 0.70.9，取 0.7w为始冻期，设计冻深范围内土的平均重量含水量，% ；取 15.2%w土的塑限含水量， %；取 19.5%f=a2(w-2 w) =0.62%a为荷载修正系数，取 1。阴: h=1.32cm 底：h=1.15cm 阳：h=0.86cm3判定基土的冻胀性类别根据渠道防渗工程技术规范表 11-9，判定渠道各部位的冻胀量。通过计算渠道阴坡、渠底、阳坡冻胀量小于 2cm，所以属于 I 类冻胀。4防冻胀验算本渠道计算最大冻胀位移值 1.32cm，此值大于容许位移值 1.0cm，所以渠道应采取防冻胀工程措施。5冻胀土地基处理(置换法
13、)用非冻性土（土中粒径小于 0.05mm 的土粒重量不大于土样总重量的 6%）置换渠床原状土，渠床各部位置换深度 Hn(m)按式（11-18 ）计算，即Hn=Hd-o式中：为置换比，%；查表 11-3(当地下水位埋深： ZwHd+1.5，土壤为轻壤土)得4050% ，取 50%，o-衬砌板厚度，取 8cm阴：Hn=0.98m 底：Hn=0.85m 阳： Hn=0.62m在渠道砼预制板保护层下铺设聚苯乙烯保温板（中密苯板抗冻），其厚度可按设计换填深度的 1/10-1/15 取用，1cm 的苯板厚度相当于 15cm 换填厚度。所以最后确定，渠道砼预制板保护层下铺设聚苯乙烯保温板（中密苯板抗冻），梯
14、形渠道各部位苯板厚度取：渠底 6cm、渠道阳坡 5cm、阴坡 7cm。U 型渠道苯板厚度取：7cm。6预制混凝土板板缝渠道砼预制板和预制板之间设伸缩缝，其厚度为 3.0cm，采用 C20 细石砼填缝，并采用错缝安装，有利于提高板缝间或结合力、分散冻胀力，从而可以提高防渗结构的整体稳定性和抗冻胀能力。T 型渠道横断面图U 型渠道横断面图 五、防渗工防冻胀的管理措施（一）把好施工质量关1施工中要工序管理，加强检测环节，做到确保工序，监保上工序，服务下工序。2基床基础处理，清基时一定要把渠道内的虚土和淤泥挖净，同时清基原则上不容许超挖，对欠缺部分或出现超挖部分应确保回填密实。3由于工程为更新改造项目
15、，分标段施工时，一定要注意防渗结构的连续性和渠道纵坡的一致性，避免结合部位漏水及渠道内积水。4砌筑缝回填时，要先将缝内砂浆、杂物清除干净填压密实; 同时要加强洒水养护。（二）加强运行管理1根据项目区的实际情况，冻前停灌时间定为 9 月中旬，开春灌溉时间定在 4 月初。2冬灌结束后，应立即排空渠道内的积水，清除渠道内的淤泥，避免渠道冻胀破坏。3对工程进行检查、观测和养护，确保工程安全运行。4做好渠道安全运行有关宣传，实行岗位责任制，责任到人，专人专职。5在渠道沿线每隔 500m 设警示标志牌、告诫，不得在渠道内取水、游泳和其他活动，妨碍渠道安全运行。六、结语星火干渠改造后，渠道护面采取混凝土预制板，垫层采取苯板，解决渠道的防渗和抗冻问题。渠道水利用系数提高到 0.94，灌溉水利用系数提高到 0.6，干渠引水流量恢复到原来设计的 2.5m3/s，作物灌溉得到保证。干渠改造后，应运用科学的手段加强管理和维修，并在不断总结经验的基础上，逐步建立一整套系统化的行之有效的运行管理制度，根据水法及国务院水利产业政策，为促进节水灌溉，加强水资源管理，确保项目发挥经济效益。
