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渠道凍脹處理方式的選擇
渠道凍脹處理方式的選擇 摘要:通過分析研究,渠道的凍脹破壞是由土壤中的水、土體顆粒物理性質(zhì)和負溫所致,大多發(fā)生在灌區(qū)的中下部。渠道防凍脹處理可通過改變渠道結(jié)構(gòu)形式、改變渠基土體的基本結(jié)構(gòu)、使用新型建筑材料等方法來實現(xiàn)。對渠道防凍脹處理方式的選擇,關(guān)系到渠道的造價和施工的難易,在今后的渠道設(shè)計與施工中不斷地總結(jié)經(jīng)驗,進一步完善新型材料的防凍理論和實際運用經(jīng)驗,為這一新型防凍材料的大面積推廣應(yīng)用提供條件。
關(guān)鍵詞:渠道 凍脹 處理方式 選擇
1、概述
巴音郭楞蒙古自治州位于新疆維吾爾自治區(qū)中部,氣候?qū)俸涞貐^(qū)。其境內(nèi)的焉者盆地一年中最冷月1月份的平均氣溫為-10℃——-15℃,塔里木盆地1月份平均氣溫為-7℃——-11℃。由于氣候寒冷,興建的防滲渠道極易受到凍脹的的破壞。預(yù)制砼板護面防滲渠和現(xiàn)澆砼板護面防滲渠最易受到凍脹的破壞,漿砌石護面防滲渠和干砌石護面防不滲渠次之。無論是幾十個流量的大渠道,還是1個流量的小渠道,都會受到凍脹的危害。有些凍脹危害發(fā)生在建成后運行初期的1~2年內(nèi),而有些卻發(fā)生在工程建成末運行之時。凍脹破壞在巴州的2個盆地內(nèi)均有發(fā)生,對渠道的危害也最大。因此進一步研究渠道凍脹破壞的機理,采取有效的措施預(yù)防它,對保證各級防滲渠道的正常運行,減少維修養(yǎng)護的費用意義重大。
2、渠道凍脹機理
渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成,渠基土受凍體積膨脹必須具備以下條件:
⑴寒冷氣候區(qū)持續(xù)的負溫條件;
⑵土壤中自由水和毛細水的存在,并且有通暢的水分補給通道;
⑶土壤本身的物理力學性質(zhì),包括土的顆粒組成,礦物質(zhì)成份等。
在以上三個條件中,土壤中自由水和毛細水的存在是凍脹發(fā)生的的先決條件,也是必備條件。在整個漿脹破壞過程中,水是最活躍的因素。
從目前受凍脹破壞的渠道來看,基本上位于灌區(qū)內(nèi),且處于灌區(qū)中、下游的居多。這是因為在灌區(qū)中下游地區(qū),地下水埋深淺,土壤顆粒細,土體中自由水和毛細水的補給十分充足。一旦氣溫下降至零度以下,土體中的自由水和毛細水的體積受凍膨脹,引起土體膨脹,頂托襯砌,破壞渠道。
在河區(qū)下部,凍脹破壞不但發(fā)生在挖方渠道中,在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出,毛細水的凍脹性也不容忽視。
綜上所述,凍脹破壞是寒冷地區(qū)渠道建設(shè)中的一大難題,由土壤中的水、土體顆粒物理性質(zhì)和負溫所致,大多發(fā)生在灌區(qū)的中下部。
3、渠道防凍脹處理形式及比較
3.1渠道防凍脹處理形式
渠道防凍脹處理可通過改變渠道結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn),即用“U”形或矩形斷面來代替梯形斷面。但這種處理形式只適用于小渠道,流量小于1m3/s的渠道。對于大渠道來說,若采用這種處理方式,難免造成造價和施工難度的加大,加大的幅度還較大。
從上述導(dǎo)致土體凍脹的的三個基本因素中,只有三個因素同時具備,才發(fā)生凍脹破壞。只要消除其中一個因素,就能防止和減輕凍脹危害。從目前新疆地區(qū)的氣候條件來看,外部溫度不達負溫是不可能的,因此只有采取保溫措施達到內(nèi)部不負溫。切斷凍土地基在凍結(jié)前、后的水分補給是過去防凍脹處理常用的法,此外改變渠基土體的基本結(jié)構(gòu)也是保證土體非凍脹性的一種方法。
要切斷凍土地基在凍結(jié)前后的水分補給,通常是采用高填或排水措施來減少水分的補給。但是由于土體顆粒及物理力學性質(zhì)的決定,毛細水的作用不可忽視。毛細水往往上升至地下水面以上2~3m的平面上,同樣會對渠產(chǎn)生凍脹破壞。例如庫爾勒市哈拉蘇農(nóng)場的一個小渠道,流量1.5m3/s,旁邊平行有一條深1.5~2m的排水溝,渠道為半挖半填渠道,在施工中就發(fā)生了凍脹破壞。因此對于細顆粒土體,要完全切斷水分的補給是不現(xiàn)實的,毛細水的凍脹破壞不容忽視。
改變基土的基本結(jié)構(gòu)的辦法是進行渠基土的換填,就是用大顆粒的土體填入渠基,將原來的細顆粒土體挖走。這種換填工程量較大,換填厚度一般要大于等于凍土深度。如果在凍土深小的地區(qū)使用尚可,若在凍土深較大的地區(qū)使用,往往工程量是巨大的。
從目前情況看,任何工程要根本回避和解決凍脹三因素之一,從考慮經(jīng)濟和投資省的情況下,都是非常困難和把握不住的。因此在實際工作中,往往將幾種工程措施結(jié)合起來使用。即以回避一種因素為主,輔之以回避另一種因素的綜合措施進行防凍脹處理。如在匯要兩面三刀側(cè)開挖排水溝降供銷水分補給的同時,對基土進行一定厚度的換填。用砂或戈壁層加塑膜進行保溫,以減少凍脹破壞。
近來隨著新型建筑材料的問世,苯板越來越多地應(yīng)用于渠道的防凍脹處理。苯板防凍脹的主要機理是它具有保溫的功效,保證了渠基土不受負溫的影響,同上述砂或戈壁層加塑膜保溫的原理是一樣的。根據(jù)現(xiàn)有對苯板的搞凍試驗資料,10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁層的保溫效果。遠大于相當于5~10cm厚戈壁、砂的塑膜的保溫效果。
3.2渠道防凍脹處理形式比較
在高地下水位區(qū),即使采取了斷絕土壤中水分補給的措施,仍難以保證阻止毛細水的上升,因此還必須采取其它防凍脹處理形式。
對渠基土進行換填是一種防凍脹的處理形式,它即改變了渠基土的結(jié)構(gòu),又具有一定的保溫作用。它的優(yōu)點是:①當渠道附近有大量換填材料時,造價可能便宜;②由于對渠基進行了徹底換填,當質(zhì)量達到要求時,可保證渠道永久不受凍脹危害。同時也具有以下缺點:①由于換填厚度大,土方工程量較大,當換填材料運距較遠時,造價較高;②施工難度大,清除了渠基原土,換填后的砂、戈壁難以進行夯實,要達到施工規(guī)范要求,難度較大;③換填料的質(zhì)量難以把握,要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料,很難尋找料源。若采用人工加工料,則不經(jīng)濟。
若不采用基土回填,只鋪設(shè)苯板保溫,防止渠基土凍脹也是近年來漸漸采用的一種防凍脹處理形式。它只有保溫作用,不對基土進行回填。具有以下優(yōu)點:①抗凍效果好,采用10cm的苯板即達到了換填100cm砂或戈壁的保溫效果;②施工方便,渠道開挖斷在小。不對基土進行攏動,直接將苯板置于基土上,在苯板上直接進行襯砌材料的施工;③在一定條件下造價便宜,使用的施工機械少,人工省。采用苯板,不進行基土換填,避免了大量土石方機械的使用。當基土換填材料運距大于一定距離時,其造價低的優(yōu)勢立即顯現(xiàn)。苯板防
凍脹材料的缺點是:在一定條件下,同換填相比,造價較高。當基土換填材料運距小于一定距離時,其造價明顯高于換填處理。
拿開都河第一分水樞紐北岸干渠為例。該渠道為開都河第一分水樞紐配套輸水渠,長km,輸水流量m3/s。
4、苯板防凍脹成功幾例
4.1庫塔干渠西干渠
庫塔干渠是開~孔河流域灌區(qū)的一條主要的灌溉渠道,主要承擔向孔雀河下游灌區(qū)的輸水任務(wù)。干渠由總干渠、東干渠、西干渠組成,目前建設(shè)完成了總干渠和西干渠,東干渠即將建設(shè)�？偢汕L17.8km,上段設(shè)計流量為35m3/s,加大流量40 m3/s;下段設(shè)計流量30m3/s,加大流量35 m3/s。西干渠長38km,設(shè)計流量20~10m3/s,加大流量23~10 m3/s。庫塔干渠灌溉著庫爾勒市、尉犁縣37.52×104畝的土地面積。
西干渠為梯形斷面,渠深3.3m,底寬2.15m,邊坡為1:1.5,水深為2.59m。兩邊渠堤寬度為2.5m,渠道外邊坡也為1:1.5。渠道襯砌采用70mm厚的C20預(yù)制砼板,砼板下部為60mm厚的苯板用于防凍脹。
渠基土為粉細沙,顆粒細,保水性好,屬凍脹土。經(jīng)苯板防凍脹處理后,經(jīng)過8年的運行,未發(fā)生凍脹破壞。
4.2開都河第一分水樞紐北岸干渠
是開都河第一分水樞紐的配套輸水干渠,開都河第一分樞紐合并了開都河兩岸多座無壩引水龍口,使兩岸引水得到了統(tǒng)一管理。北岸干渠全長22.9km,設(shè)計引水能力32m3/s,灌溉面積47.55×104畝。它連接了第一分水樞紐及北岸的四條引水干渠,使樞紐發(fā)揮作用,實現(xiàn)了用渠道輸水代替河道輸水。渠道為梯形,底部為弧形。渠深為2.4m,圓弧形底深0.4m,梯形深2.0m,渠底寬為3.0m。渠道內(nèi)邊坡為1:1.75,渠堤頂寬為2.0m,其中封枯板寬為0.6m。渠道襯砌采用現(xiàn)澆砼板,板厚10cm。根據(jù)各渠段地基土的情況,渠道防凍脹采用了不同的形式。上段8km采用基土換填的處理方式,下段根據(jù)需要,有的地方在弧形底板下部布設(shè)了10cm厚的苯板,有的地方在邊坡上布設(shè)了苯板。渠道上段完工后,發(fā)現(xiàn)部分渠段出現(xiàn)了斷板和凍脹現(xiàn)象。分析原因,基本上可以得出如下結(jié)論:斷板原因為換填基土密實度未達設(shè)計要求,再加之施工單位偷工減料板厚未達設(shè)計厚度所致;凍脹原因為換填基土耒達設(shè)計要求的級配,內(nèi)含細顆粒較多而造成。因此渠道防凍脹形式若采用換填的處理方式,則換填土的本身質(zhì)量及施工質(zhì)量對渠道能否正常運行關(guān)系較大。在施工過程中,應(yīng)嚴格控制,但受施工條件的限制,這些要求達到的難度較大。北岸干渠下段采用苯板防凍脹,施工方便,防凍脹效果較好,但缺點是同換填相比較,造價較高。
4.3尉犁縣塔里木北干渠
塔里木北干渠位于尉犁縣境內(nèi),建于20世紀50年代,是尉犁縣主要棉區(qū)——古勒巴格鄉(xiāng)、團結(jié)鄉(xiāng)、塔里木鄉(xiāng)的灌溉渠道,灌溉面積為11×104畝。干渠現(xiàn)為土渠,長24.814km,渠道縱坡1/6000~1/8000,過水流量為5m3/s,過水斷面為20m2,流速0.3m/s。渠道滲漏嚴重,渠道水利用系數(shù)為0.85。
渠道凍脹處理方式的選擇計劃對該干渠進行防滲改造,采用砼板防滲。由于渠基土為龍四系粉細砂、粉土、粘土,再加之地下水埋深淺,因此渠道受凍脹的威脅較大,防凍脹設(shè)計龍其重要。
渠道底寬1~2m,渠深1.86~2.35m,邊坡1:1.5~1:1.75,渠堤寬2.5m,封頂板寬0.3m。渠道防滲采用80mm厚的C20預(yù)制砼板。防凍脹采用了兩種形式比較,一種為砼板下鋪60mm厚的苯板保溫,一種為渠基換填40~60cm的砂礫墊層防凍脹。
苯板從庫爾勒市購進,平均運距67km,砂礫料從尉犁縣與庫爾勒市交界處的希尼爾地區(qū)拉運,平均運距30km。兩種方案的渠道斷面相同,經(jīng)比較,苯板方案總投資為2611.67×104元,換填砂礫料方案總投資為3110.41×104元。方案一具有投資省、施工簡單的特點,因此塔里木北干渠的防凍脹采用鋪苯板保溫的設(shè)計形式。
5、結(jié)語
對渠道防凍脹處理方式的選擇,關(guān)系到渠道的造價和施工的難易,必須慎之又慎。苯板作為一種新型的渠道防凍脹處理方式,具有其獨特的優(yōu)點�，F(xiàn)階段巴州對苯板的運用還剛開始,一切還處于試驗摸索階段。雖然已有成功的運用例子,但需在今后的渠道設(shè)計與施工中不斷地總結(jié)經(jīng)驗,進一步完善苯板的防凍理論和實際運用經(jīng)驗,為這一新型防凍材料的大面積推廣應(yīng)用提供條件。
參考文獻
[1]、《巴州水利科技》, 1999。
[2]、DL/5111—2000,水利水電工程施工監(jiān)理規(guī)范。
[3]、SL233——1999水利水電建設(shè)工程驗收規(guī)程。
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