紀(jì)風(fēng)蘭

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 836403)

長距離明渠輸水渠道變形分析

紀(jì)風(fēng)蘭

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 836403)

由于長距離明渠輸水工程存在工程條件多樣化、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高等工程特點(diǎn)，因而解決渠道變形問題是維持輸水工程正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵問題。為了發(fā)揮輸水工程的各方面效益，對長距離明渠輸水工程中渠道變形問題進(jìn)行深入分析，并提出相應(yīng)的處理建議。

長距離明渠； 輸水工程；沉降破壞；凍脹；渠道變形；解決辦法

1 長距離明渠輸水工程的特點(diǎn)

中國水資源人均占有量約為世界平均水平的1/4，同時(shí)水資源的區(qū)域性差距導(dǎo)致16個(gè)省份低于嚴(yán)重缺水線，特別是西北地區(qū)已經(jīng)嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響人民生活水平的提高。為了改善水資源短缺問題，政府投入巨大的人力物力，建設(shè)長距離輸水工程。因此務(wù)必解決影響長距離明渠輸水工程正常運(yùn)轉(zhuǎn)的各種問題。

對于長距離明渠輸水工程來說，最明顯的特點(diǎn)就是工程線路長、輻射面廣，因此具有復(fù)雜多變的地質(zhì)條件。在建設(shè)和使用過程中會(huì)出現(xiàn)多種多樣的渠道變形問題，最典型的兩種破壞形式為凍脹破壞和沉降破壞，其中沉降破壞一般包括填方不密實(shí)、膜后進(jìn)水以及渠水外滲等問題引發(fā)的渠道變形[1]。

2 引發(fā)渠道變形的地質(zhì)條件

2.1 易引發(fā)凍脹破壞的地質(zhì)條件

土中含有的礦物成分情況及其顆粒分散性是土質(zhì)凍脹敏感性的兩個(gè)決定性因素，而且土質(zhì)的凍脹性與顆粒分散性成正比，與顆粒粒徑大小成反比。當(dāng)土的粒徑<0.01～0.05 mm時(shí)引發(fā)凍脹問題的幾率會(huì)很高，并在0.05～0.002 mm范圍內(nèi)達(dá)到最高值。因而，若土質(zhì)中含有較多粉土及黏土成分凍脹性便會(huì)大幅提升。

根據(jù)此規(guī)律可以得出各類土質(zhì)條件的凍脹性情況：砂礫石<礫石土<黏土、亞黏土<亞砂土<粉質(zhì)土。并且土質(zhì)中親水性礦物成分含量越高的土具有的凍脹性越明顯，越容易引發(fā)凍脹破壞[2]。

2.2 易引發(fā)沉降破壞的地質(zhì)條件

在長距離明渠輸水工程施工過程中，一般為就地取材建造渠堤，從而渠堤填方土與原狀巖土的礦物成分及顆粒級配基本一致，但兩者的工程特性卻有很大的差別，其原因便是巖土壓實(shí)程度存在差異。

通過對比試驗(yàn)的驗(yàn)證可知，與天然結(jié)構(gòu)的原狀巖土相比，渠堤填方土的天然含水量、空隙比以及濕陷系數(shù)均有不同程度的提高，而天然干密度、飽和抗剪強(qiáng)度、壓縮系數(shù)以及壓縮模量均出現(xiàn)下降[3]。

綜合來看渠堤填方土的壓縮性提高，易出現(xiàn)沉降變形的問題。

表1 含細(xì)粒土砂的顆粒分析表

3 渠道變形問題分析

3.1 凍脹破壞分析

我國氣候類型復(fù)雜，大陸性季風(fēng)氣候顯著，冬季盛行寒冷離陸風(fēng)，導(dǎo)致西部及北部大面積國土出現(xiàn)多年凍土或季節(jié)凍土。在此環(huán)境條件下，當(dāng)巖土溫度低于其凍結(jié)溫度時(shí)，土中的水分便會(huì)由濕土向正凍帶移動(dòng)，同時(shí)在低溫下會(huì)變?yōu)楣滔噙M(jìn)入土顆粒間隙，而水由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)體積有9%的提升，當(dāng)體積膨脹達(dá)到顆粒間產(chǎn)生相對位移條件后凍脹現(xiàn)象就會(huì)產(chǎn)生。

凍脹問題在水分向已凍帶中不斷積聚的過程中逐漸嚴(yán)重，特別是在我國北部寒冷地區(qū)，運(yùn)行中的長距離明渠會(huì)在持續(xù)的負(fù)溫及充足水源條件下引發(fā)更為嚴(yán)重的凍脹問題[4]。

對于三相體系的土體黏性土，在最適宜的飽和度條件下凍結(jié)，相應(yīng)產(chǎn)生最大凍脹強(qiáng)度密度γdˊ一般用下式表示：

γdˊ=(0.8～0.9)γdop

(1)

式中：γdop為土的最佳密度，即凍脹系數(shù)接近于零的密度。

如果土體密度達(dá)γdˊ時(shí)而繼續(xù)壓密，土顆粒間的間距繼續(xù)減小，土體的凍脹系數(shù)則隨土中水分遷移量減少而降低，達(dá)到最佳密度時(shí)的含水程度已接近于該密度下土體的起始凍脹含水量(ω0)，土的凍脹系數(shù)降至零，這時(shí)土的最佳密度γdop可用下式近似表示：

(2)

由公式(2)可見，γdop是隨著土體起始凍脹含水量(ω0)及其顆粒比重G而變化，ω0 的大小可由表2查用。故只要渠基土能壓實(shí)到最佳密度以上時(shí)，便可起到完全防凍脹的效果。

表2 幾種典型的起始凍脹含水量

對于兩相土的情況，土中水分與密度之間的關(guān)系可用下式表示：

(3)

根據(jù)黏性土充分飽和至90%以上進(jìn)行凍脹試驗(yàn)結(jié)果表明，土體的凍脹系數(shù)(η)隨著密度(γd)增大而減小，它們之間的關(guān)系近似線性關(guān)系。

η=a-bγd

(4)

當(dāng)γd達(dá)到最佳密度時(shí)(γd要達(dá)到1.8g/cm3以上)土的凍脹系數(shù)即為零。

導(dǎo)致巖土凍脹問題的主要因素包括水分、溫度及土質(zhì)，其中水分包括含水率和地下水位。由于長距離明渠工程線路長、范圍廣的特點(diǎn)，溫度及土質(zhì)因素難以消除和控制，只能在水分方面入手解決凍脹問題。

土的含水率受其密度的影響，而渠道在運(yùn)行過程中難免會(huì)受到滲漏水的影響，因此要維持基土含水率在較低的水平下，必須通過控制其密實(shí)性來達(dá)到，即通過控制土的密度使凍脹系數(shù)趨近于零，起到防止凍脹的效果。

3.2 沉降破壞分析

在明渠運(yùn)行過程中，渠堤及邊坡部位經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)沉降變形的破壞問題。通過對渠道變形的形態(tài)特征及巖土性質(zhì)等因素進(jìn)行綜合分析，一般可將渠道變形問題分為填方不密實(shí)引發(fā)渠道變形、膜后進(jìn)水引發(fā)渠堤變形及渠水外滲引發(fā)渠堤變形等3個(gè)類型。

3.2.1 填方不密實(shí)引發(fā)渠道變形

在長距離明渠輸水工程中，由于填方土的自重作用，渠道的頂部較底部會(huì)出現(xiàn)較大的沉降。同時(shí)，填方土與渠沿石之間存在橫向應(yīng)力，渠沿石與混凝土板塊之間還存在向下的摩擦力，當(dāng)摩擦力大于混凝土板塊的自重時(shí)，便會(huì)引發(fā)混凝土板塊產(chǎn)生頂部沉降底部抬升的變形。

3.2.2 膜后進(jìn)水引發(fā)渠堤變形

由于大量降雨及渠堤排水不暢，會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)積水，而填方土密實(shí)度低，難免出現(xiàn)滲透水的問題，積水和砂石進(jìn)入膜下，當(dāng)水的揚(yáng)壓力超過混凝土板塊的自重應(yīng)力時(shí)，便會(huì)拱起渠道混凝土板塊造成渠道變形問題。

3.2.3 渠水外滲引發(fā)渠堤變形

由于工程實(shí)施過程中難免出現(xiàn)局部渠道塑膜達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的問題，在渠道運(yùn)行過程中，塑膜強(qiáng)度較低的部位可能會(huì)出現(xiàn)滲透水的現(xiàn)象。在水的作用下會(huì)出現(xiàn)塑膜破壞，并且破壞區(qū)域逐漸擴(kuò)大，巖土含水量提升，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)巖土出現(xiàn)濕陷及沉降，渠堤土方在收到基礎(chǔ)沉降拉應(yīng)力的作用下，進(jìn)而出現(xiàn)變形破壞。

4 渠道變形問題的解決方法

4.1 對凍脹變形的解決方法

為了應(yīng)對渠道凍脹變形問題，必須盡量減弱凍脹因素的影響強(qiáng)度。

根據(jù)我國長距離明渠輸水工程的實(shí)際條件，在解決凍脹變形時(shí)，可以采取以下措施的一種或有機(jī)結(jié)合其中幾種措施：

1)從水分、溫度及土質(zhì)3個(gè)基本因素方面著手，通過用非凍脹性土置換及對填土進(jìn)行壓密，加強(qiáng)渠道各部位的防滲效果，提升渠堤排水能力，對渠道采取保溫措施等，減少凍脹變形的發(fā)生。

2)從渠道自身的結(jié)構(gòu)入手，盡量優(yōu)化渠道的結(jié)構(gòu)，從而能夠抵抗凍脹破壞的各種因素。

3)加強(qiáng)渠堤的整體性，嚴(yán)格控制置換材料。在進(jìn)行土質(zhì)置換時(shí)，要保證在地下水位與置換土石料底部距離超過0.5m的條件下，置換材料粒徑<0.1mm的顆粒含量不超過10%。

4.2 對沉降變形的解決方法

1)若渠道變形是由填方不密實(shí)原因引發(fā)，最有效的措施便是去除沉降變形位置表面的混凝土板塊，以及上部兩米范圍內(nèi)的巖土，再將土方進(jìn)行分層夯實(shí)至最優(yōu)密實(shí)度后，在表面鋪設(shè)混凝土板塊。

2)若渠道變形是由膜后進(jìn)水的原因引發(fā)，則需要去除沉降變形位置的混凝土板塊，再將破壞位置的土方進(jìn)行分層灑水夯實(shí)，在表面鋪設(shè)混凝土板塊。

3)在長距離明渠工程中，對于渠道濕陷原因產(chǎn)生的變形，一般出現(xiàn)的范圍廣，而對渠道正常運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生較大的危害，可采取現(xiàn)場觀測的手段，至渠道沉陷平衡后，再針對實(shí)際情況采取措施。

5 結(jié) 語

我國在長距離明渠輸水工程中投入十分巨大，為了保證其發(fā)揮更大的效益，本文從長距離明渠輸水工程的渠道變形問題入手，綜合分析了長距離明渠輸水工程的特點(diǎn)，以及易引發(fā)渠道變形的兩種主要地質(zhì)條件，并對兩種渠道變形問題進(jìn)行了深入分析，進(jìn)而提出了相應(yīng)的處理方法和建議。

[1]新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.新疆引額濟(jì)克總干渠渠道邊形分析報(bào)告[R].烏魯木齊：新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2002.

[2]強(qiáng)魯斌,朱瑛潔,曹道寧,李迷,馬力剛.深挖方膨脹土渠道變形破壞形式及成因探討[J].人民長江,2014(06)：82-84+88.

[3]范麗君.北引總干渠渠道變形的成因與治理措施研究[J].黑龍江水利科技,2013,41(08):91-93.

[4]孟凡超,王明學(xué),彭亮.引水總干渠局部段渠道變形分析[J].科技資訊,2007(31):41-42.

Deformation Analysis for Long Distance Water Conveyance Open Channel

JI Feng-lan

(Xinjiang Irtysh River Basin Development Project Construction Management Bureau，Urumqi 836403，China)

Due to the diversified engineering conditions and higher quality standard characteristics for long distance open channel，it is vital to solve the problem of channel deformation so as to maintain the normal operation of the water conveyance project.In order to play water transfer project benefits，a thorough analysis to the deformation problem of long distance open channel water channel engineering carried on and the proposal and relevant treatment are put forward.

long distance water conveyance open channel；water transfer project；settlement destruction；frost heave deformation；channels deformation；solution

1007-7596(2015)01-0025-03

2014-04-12

紀(jì)風(fēng)蘭(1978-)，女，新疆烏魯木齊人，助理工程師。

TV221.2

A