李愛萍，王進軍

甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅玉門 735211

甘肅省疏勒河流域水資源利用中心昌馬灌區(qū)屬于國家大型自流灌區(qū)坐落在西端疏勒河干流中游，有著南高北低地勢結(jié)構(gòu)，對應(yīng)海拔1 300～1 885 m，地理位置96°25′～97°30′E，40°05′～40°35′ N，南北和東西長度分別是55 km、85 km，橫跨玉門、瓜州兩縣市，合計面積3 380 km2，現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)灌溉面積是4.65萬hm2，長期干旱降雨量少，晝夜溫差大，四季多風沙?，F(xiàn)有骨干輸水渠道干渠、支干渠以及支渠88條640.4 km，建筑物2 065座，其中干渠8條，支干渠10條，主要承擔著甘肅省酒泉市轄區(qū)內(nèi)玉門、瓜州2縣市12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及甘肅農(nóng)墾團廠等4個國營農(nóng)場農(nóng)業(yè)灌溉任務(wù)，對推動瓜州、玉門2縣市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展具有積極影響。

1 灌區(qū)渠道存在的問題

灌區(qū)屬季節(jié)性凍脹地區(qū)，冬季漫長寒冷，凍脹期為每年11月至翌年4月，最大凍土深度為1.5 m，地質(zhì)條件除西干渠及南干渠、碎石土層外，其他的還保留在粉質(zhì)壤土或黏土層中，客觀存在地段地質(zhì)、地形復(fù)雜化、渠線較長等問題。在運作時，由于凍脹破壞產(chǎn)生的渠道安全問題，尤其是穿越高地下水位的渠段，每年經(jīng)過冬季凍脹期后，骨干渠道都會發(fā)生基土融沉、邊坡凍脹鼓起、渠道變形等問題，嚴重影響了灌區(qū)輸水灌溉，每年都需要投入大量資金進行維修和改建。

2 研究內(nèi)容

通過收集和探測昌馬東干渠、北一支干渠干砌塊石襯砌渠段氣象、地質(zhì)資料，采用實驗和分析的方法，得出各觀測斷面凍脹量與凍脹性之間的關(guān)系、最大凍深渠時道內(nèi)部溫度保持均勻、渠道多個監(jiān)測斷面殘余變形分布情況、凍前和最大凍深時土層含水率分布情況，總結(jié)出干砌石在凍脹土及高地下水位的適用范圍，并通過對比凍脹破壞區(qū)域的成因確定維修方案，為進一步工程設(shè)計提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，降低工程造價和維修費用。

3 渠道凍害破壞的原因分析

3.1 渠床的土質(zhì)條件

若渠床的重要組成結(jié)構(gòu)式粗顆粒土時，整體凍脹量不高，如出現(xiàn)非均勻性的襯砌適應(yīng)，將使凍脹變形能力保持良好，同時能降低凍害風險。若果渠床式細粒土，則渠床土含水量較大，在地下水補給時，凍脹量顯著增加。如果渠床內(nèi)優(yōu)先選取混凝土或漿砌石，同時適應(yīng)變形能力小剛性襯砌，保持較明顯凍害破壞。

3.2 渠床的水分條件

渠床土凍脹性大小、凍脹率沿深度布局等因素，都與水分條件密切相關(guān)。從某些角度分析，渠床水分條件會導(dǎo)致渠道襯砌凍害破壞。在這個過程中，需要以渠床水分條件為標準完成細分：一類是地面滲水使渠床土體含水量有效提高，進而導(dǎo)致凍脹使襯砌破壞風險上升；另一類則是在地下水不足環(huán)境中，使下渠床凍脹，進而破壞襯砌。前者凍脹量不高，襯砌凍害破壞程度也相對偏低，后者的凍脹量偏高，使襯砌凍害破壞較為明顯。由于水分條件存在差異，凍脹率沿深部分布將呈現(xiàn)顯著的差異?；炷令A(yù)制板襯砌裂縫主要出現(xiàn)在坡腳和渠底，并且需要考慮渠床土體水分狀態(tài)的影響。

3.3 渠床的溫度條件

東西走向渠道時，南坡凍結(jié)深度＞北坡凍結(jié)深度，核心原因是陽坡日照周期較長，同時日照強度較大。

4 試驗區(qū)渠道現(xiàn)狀及凍脹情況

以昌馬東干渠及北一支干渠為研究對象，東干渠總長度59.8 km，設(shè)計流量為1.91～6.00 m3/s，加大流量2.29～6.5 m3/s,農(nóng)業(yè)灌溉總面積6 742.7 hm2，高地下水位主要集中在13.30～20.08 km渠段內(nèi)；北一支干渠總長度13.16 km。設(shè)計流量1.5～1.9 m3/s，加大流量1.95～2.47 m3/s，農(nóng)業(yè)灌溉總面積2 676.0 hm2，高地下水位集中在0.15～11.5 km渠段內(nèi)。經(jīng)實地調(diào)查、取樣，研究區(qū)內(nèi)渠段均屬于挖方渠段，渠基和渠坡基土性質(zhì)為粉質(zhì)黏土，這些渠段發(fā)生凍脹破壞的形式相似，均為坡腳處預(yù)制板鼓脹下滑，渠底隆起，最終導(dǎo)致邊坡砼預(yù)制板邊坡整體塌落及下滑。

5 試驗情況簡介

干砌塊石襯砌形式在凍脹土及高地下水位的應(yīng)用研究試驗是在冬季停水后，分別在東干渠、北一支干渠選取2個觀測斷面，安排專人對觀測斷面的地溫、基土含水率、襯砌體的位移情況進行了觀測。

第一，在選定的控制點斷面采用溫度計測量表面20、40、60、80 cm深土層的渠底和邊坡進行定期溫度觀測。

第二，在凍前和最大凍深時測定0～80 cm土壤含水率。

第三，視準線法測量位移，具體為采用水準儀及鋼尺測定干砌石襯體的水平和垂直位移。①試驗儀器：經(jīng)緯儀、水準儀、鋼尺、方尺(直角尺)；②視準線法在試驗應(yīng)用上具體方法如圖1所示。

圖1 水平位移觀測示意圖

由圖1可知，A和B屬于視準線下的基準點，能建立水平位移觀測點，在對其進行觀測時，經(jīng)緯儀需要保留在A點，而儀器也需要對準B點位置，則在渠底投影出A—B視準線。在視準線上定出要觀測的C點和D點的位置(圖2)。

圖2 垂直位移觀測示意圖

如圖2所示，用鋼尺及方尺等工具量得DF點距離，用水準儀測出DF點高差，則可求出B點的水平距離EF，以第一次觀測的數(shù)值為基準數(shù)值，與以后每次觀測的數(shù)值的差即為其水平位移。渠底位移為視準線的偏移距離。

第四，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范(SL23—2006))》對渠道基土凍脹量進行計算，通過以上觀測及計算數(shù)據(jù)，分析干砌石砌體抗凍脹適用范圍[2]。

通過現(xiàn)場實測求得各觀測斷面凍脹量與凍脹性之間的關(guān)系、最大凍深渠道溫度場所的布局、渠道檢測斷面殘余變形分布情況、凍前和最大凍深時土層含水率分布情況，總結(jié)出干砌石在凍脹土及高地下水位的適用范圍和通過對比凍脹破壞區(qū)域的成因和維修方案，為進一步工程設(shè)計提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，降低工程造價和維修費用。

6 結(jié)果與分析

6.1 土質(zhì)分布情況分析

北一支干渠渠段。針對渠道的地質(zhì)條件、地下水埋深信息進行分析，上述區(qū)域都是挖方渠段，渠基和渠坡則重點放置在apLQ粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土土層中，在地表1 m以上的位置，鹽堿保持較高的含量，即1.8～7.8 g/kg，這也是亞硝酸鹽鹽漬土，將其干密度設(shè)定為1.23～1.56 g/cm3，細粒土(﹤0.007 5 mm)含量和厚度分別＞10和＞3。由于地下水埋深偏淺，保持在0.0～2.0 m的水平，在渠底存在滲水、積水的問題，天然含水率保持為15%～29%，毛細提升高度則為1.7～2.6 m，水質(zhì)條件相對落后，針對砼硫酸鹽侵蝕性，渠道對應(yīng)的土基滲水補給量保持較高的水平。

東干渠(樁號13+362.25--20+083)渠段渠基和渠坡主要置于apLQ粉質(zhì)壤土層中，渠坡頂部1.1～0.5 m的人工填土，下伏粉質(zhì)壤土，具水平層理，中密結(jié)構(gòu)，易融鹽小于0.5%，中等壓縮性中等透水性非鹽澤土，地下水埋深0.5～1.9 m,毛細上升高度為1.7～2.6 m，水質(zhì)較差，對混凝土具有鹽酸鹽侵蝕性。

渠道凍脹破壞程度與渠基土的凍脹量大小有關(guān)，細粒土粒徑＜0.075土粒重量超過土樣中，10%屬于粗粒土為凍脹性土，東干渠(樁號13+362.25--20+083 km)，北一支干渠(樁號：0+150—11+475 km)渠段均為凍脹土，加之地下水位較淺，水分補給充分，則必然產(chǎn)生較大凍脹量，當超過干砌石襯砌材料的允許法向位移時，就會產(chǎn)生凍脹破壞[4-5]。

6.2 觀測斷面溫度場分布情況分析

根據(jù)氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)，2020年11月8 日—2021 年4 月15 日，2021 年11月5日—2022年4月20日為凍結(jié)期。

2020年12月最高氣溫1 ℃，最低氣溫-24 ℃。2021年3月最高氣溫最低氣溫為20 ℃，最低氣溫為-9 ℃。如果溫度梯度保持較高的水平，凍結(jié)鋒面將及時朝下進行轉(zhuǎn)移，同時未凍部分遷移水流將會沿途處理，并且在凍結(jié)鋒面生成冰層，因為地下水位偏高，有充分的水分補給，隨著凍結(jié)鋒面停留時間的增加，冰層也會更厚，對應(yīng)的凍脹量也會適當提升。

6.3 觀測斷面含水率測量情況分析

選?、?、Ⅱ兩個觀測對比斷面控制點，如圖3所示每個監(jiān)測斷面選擇7個監(jiān)測點對凍前和最大凍深含水率進行監(jiān)測，現(xiàn)地觀測2020年11月20日—2021年3月10日，2021年11月20日—2022年3月10日，觀測點各層土含水率分布圖。由圖4可見，觀測點在凍結(jié)深度范圍內(nèi)水分重分布現(xiàn)象明顯，斷面Ⅰ(地下水埋深為0 m)凍前各土層含水率為21.7%，最大凍深時各土層含水率30.22%，平均水分遷移量約達到8.52%。斷面Ⅱ(地下水埋深1.9 m)，凍前各土層含水率為18.3%，最大凍深時各土層含水率23.5%平均水分遷移量約達到5.2%。隨著地下水埋深的增加，水分遷移量變大。

圖3 含水率檢測示意圖

圖4 凍前和最大凍深含水率分布圖

6.4 觀測斷面位移觀測情況分析

觀測點對比方案凍融垂直位移量和水平位移量變化觀測結(jié)果如圖5所示。

圖5 對比方案凍融垂直位移量和水平位移量變化觀測結(jié)果

7 試驗結(jié)論

通過2020年11月20日—2021年5月，2021年11月20日—2022年4月對選定的2個干砌石觀測斷面溫度、含水率、位移情況的觀測數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論。

負溫、土質(zhì)、水分三者相互影響地表凍脹量的大小，從而決定了襯砌體位移的大小的變化。在土質(zhì)、溫度變化不大的情況下，地下水埋深是影響凍脹量變化的主要因素，地下水埋深淺，(A斷面地下水埋深1.9 m，B斷面地下水埋深0 m)凍脹量大，凍脹垂直位移和水平位移變化大，A斷面渠底凍脹位移最大月平均變化發(fā)生在1月，為13.8 cm，隨著渠道位置的上升，凍脹位移逐漸變小，渠頂最大凍脹位移為5.5 cm。最大水平位移發(fā)生在1月，隨著凍脹的發(fā)生，位移朝渠道中心線方向移動，隨著渠道位置上升，位移量逐漸變小。A斷面最大垂直位移為13.8 cm，水平位移為9.8 cm時，保持了渠道結(jié)構(gòu)完整，B斷面在垂直位移為18.8 cm，水平位移為15.3 cm時，渠道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損。由此可得出，干砌石襯砌體位移隨著凍脹量的變化而變化，凍脹量大位移值大，凍脹量小位移值小。當位移值超過2/3(干砌石襯砌厚度為30 cm)襯砌體厚度時，造成襯砌體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，出現(xiàn)襯砌體的滑塌破壞。

8 建議措施

8.1 回避凍脹法

在規(guī)劃設(shè)計過程中應(yīng)避免劈開較高的凍脹量自然條件。在篩選渠線過程中，選取透水性能良好、地下水埋深較高、地形結(jié)構(gòu)偏高的區(qū)域；渠線有限選擇粉質(zhì)土、沼澤等地區(qū)，優(yōu)先考慮填方渠道。在考慮管道、渡槽時，可優(yōu)先選取墩基礎(chǔ)支撐架空等結(jié)構(gòu)，降低凍脹土接觸，避免凍脹影響[6-7]。

8.2 適應(yīng)凍脹法

采用干砌石襯砌斷面形式，即通過選擇襯砌材料來適應(yīng)凍脹變形。從實驗結(jié)果可以看出，當變形超過襯砌體厚度2/3時，就會引起襯砌大面積滑塌變形，因此可以考慮分段設(shè)計原則，在地下水埋深較淺渠段，增加襯砌體厚度。

8.3 置換凍脹土消減凍脹法

如果渠基存在最大凍脹量，在凍脹融化反復(fù)的影響下，將發(fā)生凍脹累計變形。通過使用適應(yīng)、回避方案解決經(jīng)濟問題和技術(shù)問題，此時可應(yīng)用凍脹基土消減凍脹法。從北一支干渠和東干渠斷面設(shè)計可以看出，原設(shè)計采用30 cm砂礫石墊層置換渠基凍脹土，在地下水埋深大于1.9 m渠段，基本滿足設(shè)計需求，但在地下水埋深小于1.9 m渠段則出現(xiàn)了較為嚴重的凍脹破壞。