引黄灌区衬砌渠道冻胀破坏的原因及控制措施

引黄灌区衬砌渠道冻胀破坏的原因及控制措施

0渠道衬砌工程为了减少渗漏损失，提高渠输能力，自20世纪70年代起，该工程开始过滤和支撑树干。但由于宁夏地处季节冻土区,气候寒冷,因冻胀使衬砌工程破坏严重,造成工程维修费用增加,使用年限降低,渠道安全运行受限,工程效益不能充分发挥。据调查,宁夏20世纪七八十年代修建的渠道衬砌工程,以预制素混凝土板和现浇混凝土为主要衬砌型式,至90年代,因冻害几乎已全部破坏,无法继续使用。1998年以来,国家加大了大型灌区续建配套和节水改造的投入,灌区开始了较大规模的渠道衬砌工程,衬砌型式多种多样,但对于半挖半填或挖方渠道,由于地下水位埋深较浅,基土含水量较高,冻胀破坏较为严重。2002-2003年对灌区在1995年后投入运行、设计流量大于10m3/s的干渠砌护工程进行调查发现,运行2a以上的衬砌渠道均出现不同程度的冻胀破坏。据调查,灌区渠道衬砌工程使用寿命为干渠15a,支斗农渠不足12a,远远低于《渠道防渗工程技术规范》中规定的标准。冻胀破坏使得已衬砌的渠道起不到有效的防渗效果,有限的水资源因渗漏而浪费严重,农业灌溉水利用系数2011年仅为0.43,低于全国0.5的平均标准,很大程度上影响了工程效益的发挥和当地经济发展,制约了我区水利建设的发展和节水型社会的建设步伐。1影响支撑运输过程的冻胀和破坏重要因素1.1土壤冻胀分析试验研究证明,土颗粒粒径大于0.1mm的饱和粗颗粒土中,在冻结过程中是几乎不存在冻胀,土体冻胀系数为0.2%,其冻胀性属极弱冻胀类;随着粒径减少或土体分散性增大,水分迁移量愈大,冻胀性也增强。粒径为0.1~0.05mm时,土体冻胀系数一般为0.5%~2.0%,其冻胀性属于弱冻胀类;土颗粒粒径为0.05~0.002mm时,冻结期水分迁移非常剧烈,冻土层中形成厚度不等的冰透镜体,土体冻胀系数在3.0%以上,其土冻胀性属强冻胀类。根据国内的相关试验结论,按土的冻胀性强弱依次排列为:粉质土、亚沙土>亚黏土、重壤土>轻壤土>沙壤土>砂砾土(<0.05mm粒径的含量超过12%)>粗砂>砂砾石。当粒径为0.05~0.002mm的颗粒含量大于60%时,最具冻胀危险。碎石、风积沙属不冻胀性土和弱冻胀性土,可作为渠基换填土,但当长时间灌入细粒泥浆时会发生强烈的冻胀变形。宁夏引黄灌区的主体为黄河冲积平原,灌区经多年的引黄灌溉,表层土壤主要以灌淤土为主,部分地区有淡灰钙土、草甸土和盐土,并有插花分布的白僵土。灌区土壤以粉沙、细沙为主,间夹黏沙土、沙黏土透镜体,下伏沙层。西干渠沿线均以中细沙、粉细沙为主。根据灌区干渠土质调查,粉质壤土占63.3%、粉质黏土占10%,沙壤土占23.3%、细沙占3%。基土基本上为表层粉质壤土、粉质黏土和沙壤土,根据上述分析结论均属于强冻胀土,土体冻胀系数,这是造成衬砌渠道冻胀严重的原因之一。1.2气温及冻结指数根据引黄灌区30年气候观测资料分析,年平均气温为8.4℃;一年之中平均气温7月最高,平均温度为23℃,1月最低,平均气温-9℃,极端最低气温-30℃,30年平均负温天数107d;平均冻结指数为666.7℃·d;-10℃以下的天数为70d,-20℃以下的天数为8d。灌区地温变化滞后于气温的变化,随着地层深度的增加,滞后期也越长。根据有关气象资料分析,多年平均地面温度为11.2℃。一年中7月最高,平均地面温度为29.8℃;1月最低,平均地面温度为-8.5℃。有关气温、地温参数见表1和表2。由于灌区冬季气温低,历时时间较长,给渠道基土冻胀造成了有利的先决条件。1.3渠道地温实测结果宁夏引黄灌区属季节性冻土地区,土壤冻结一般产生于当年的11月中下旬,次年的2月中旬冻土深度达到最大值。根据水科所多年实测结果:渠道坡角最大冻深值青铜峡河西灌区为97.5cm,贺兰地区为95cm,平罗、石嘴山地区为93cm。4月下旬冻土基本全部融化,整个冻结周期平均170d左右。灌区大地地温与渠道地温的对应关系见表3,地面冻土深度与渠道冻土深度见表4。由于冬灌渠道渗漏,造成基土含水量大,近1m的土体因冻胀体积膨胀,产生较大的冻胀力和冻胀量,致使衬砌渠道破坏严重。1.4渠道基土含水量对渠道冻胀的影响渠基土的水分条件是渠道防渗工程冻害的决定性因素。试验结果表明:黏土、亚黏土的起始含水量为12%~17%,亚沙土的起始含水量为10%~14%,沙质黏性土的起始含水量为9%~11%,含粉粒的卵砾石的起始含水量为8%~10%,细沙的起始含水量为7%~9%。冻结期,渠床基土的含水量越大,冻胀量越大。由于灌区冬灌渠道停水较晚(11月20日),这时渠道基土含水量基本达到饱和状态,渠道停水前后平均气温已降至0℃左右,在土体内的水分尚未充分下渗迁移时,基土表层已开始产生冻结。土壤冻前含水量直接影响土体的冻胀,它们之间的关系成正比。灌区实测资料表明,当渠道基土冻前含水量达到15%时,基土即产生冻胀。而灌区渠道停水后,基土含水量一般在27.8%~30%(0~1.0m土层)。这一数值远远大于渠道基土起始冻结含水率,加之灌区地下水位较高,在土壤毛管抽吸力的作用下,使地下水能够不断的向表层土壤冻结面迁移,致使衬砌渠道冻胀破坏加剧。灌区典型渠道基土含水量变化监测见表5。1.5冻胀不均匀系数k值的计算渠道基土的冻胀量与渠道的土质、土壤含水量、地下水位、气温、地温关系密切。宁夏水利科学研究所近年来对引黄灌区未衬砌土渠试验监测结果为:青铜峡河东灌区的汉渠,12月渠道基土平均冻胀量4.02cm,最大冻胀量6.40cm;1月渠道基土平均冻胀量8.23cm,最大冻胀量9.50cm;2月渠道基土平均冻胀量10.27cm,最大冻胀量11.7cm;3月渠道基土平均冻胀量6.6cm,最大冻胀量10.3cm;4月中旬,冻层全部融化。惠农渠平罗段,12月渠道基土平均冻胀量5.01cm,最大冻胀量7.6cm;1月渠道基土平均冻胀量11.09cm、最大冻胀量12.9cm;2月渠道基土平均冻胀量12.91cm,最大冻胀量13.2cm;3月渠道基土平均冻胀量7.93cm,最大冻胀量12.3cm;4月中旬冻层全部融化。不同衬砌结构型式的试验观测结果分析比较表明:冻胀量在渠道断面上的分布以U形渠较均匀,平底弧角梯形渠道和弧底梯形渠道次之,梯形渠最不均匀。将相邻两测点的冻胀量差值与其间距的比值,定义为冻胀不均匀系数K值,算出各种渠道型式的冻胀不均匀系数,具体见表6。由表6可知,U形渠的最大K值为6.28×10-3,弧角梯形渠的最大K值为12.61×10-3,弧底梯形渠的最大K值为20.338×10-3,其位置均在渠底;梯形渠渠底的最大K值为45.19×10-3,而渠坡下部的K值最大,分别为95.09×10-3和82.28×10-3。1.6渠道衬砌土冻胀地下水埋深是影响冻胀性的重要指标。试验结果表明,对土体冻深有影响的地下水埋深范围,应小于等于土壤毛细管水上升高度与土体冻深之和。不同土壤地下水对冻胀无显著影响的临界深度为:黏土、重粉质黏土200cm,重壤土、中壤土150cm,轻沙壤土100cm,沙50cm。地下水位变化不仅对渠道输水渗漏存在影响,而且对渠道衬砌基土冻胀量影响强烈,是衬砌渠道冻胀破坏的重要原因。引黄灌区地下水位的变化随农业灌溉周期而变化。每年3月下旬冻土开始融化,土壤水分下渗,致使地下水位开始上升,4月下旬末渠道放水,农田开始灌溉,地下水位出现第1个高峰值,埋琛在1.0m左右;7月下旬随着小麦收割后复种灌溉等,致使地下水位出现第2个高峰值,埋深在0.8m左右;10月下旬冬灌开始,由于灌溉面积大,而且灌溉时间集中,这时地下水位急剧上升,达到全年最大值,埋深0.5~0.7m。随冬灌结束,土壤封冻,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。根据多年地下水位实测资料,灌区主要干渠在不同时期渠底距地下水面的调查统计资料见表7。2结论分析与抗冻肿胀措施2.1土体内部应力作用导致冷血面的变化根据调查和试验结果,渠道衬砌体的冻害主要是衬砌体下土体的冻胀引起的,对土体颗粒位移的热筛效应及对流迁移理论分析可知,寒冷地区地表土层由于气温年周期波动产生反复冻结和融化,突出表现在3个方面:一是由于水分迁移引起分凝冰层出现,导致土体冻胀;二是伴随水分迁移产生溶质迁移,引起土层中高浓度带出现,导致土层中融弱层的产生;三是内外应力作用下土颗粒位移,引起冷生剖面的变化,导致土体性质改变及部分不良物理地质现象出现。宁夏灌区实行冬灌,渠道停水时间在11月20日,此时气温已降至0℃以下,由于渠道渗漏使大量水分渗入土体,停水时土体处于高含水状态,土壤含水量增大。冷空气的侵袭,使土体水分迁移引起分凝冰层产生,导致土体冻胀和融弱层的出现及冷锋面的变化,破坏土体原结构。长期的低温,使土体表层与深层冷暖面温差越来越大,冻结缘不断将未冻区域水分迁移到冰凝层,使冻结缘越来越厚,在地下水位较高地域更严重。冰体使土体体积膨胀增大,受到衬砌体的约束而产生膨胀力。当衬砌体厚度薄、强度小、整体性差时,难以抵抗过大的冻胀力,便发生剥蚀掉片和裂缝现象,使衬砌体结构破坏。同时由于土体内外应力作用使土颗粒位移,引起冷锋面的变化。加之冻结历时增长而引起冻结缘变化和多层冰凝层的形成并快速发育,使剪应力超过衬砌体抗剪强度,便发生衬砌体折断或滑坡,渠道衬砌工程随之失去原有的防渗作用。2.2渠道坡脚防护针对冻胀破坏严重的技术难题,通过试验研究后,在渠道砌护中采取以下防冻胀措施,效果显著。(1)选择合理断面形式及衬砌结构。流量小于5m3/s的渠道断面采用U形和弧形底梯形,大于5m3/s的渠道断面采用弧形坡脚梯形,将冻胀最严重的渠道坡脚和渠底部位采用20cm厚的C20现浇混凝土圆弧坡脚,充分利用圆弧的反拱作用抵御冻胀;边坡衬砌结构为:6cm厚