新疆金沟河灌区渠道防渗防冻胀 ...

一、灌区概况

金沟河流域位于新疆塔城地区沙湾县境内。地理位置介于东经85°22'—85°44',北纬43°55'—44°28'之间。金沟河灌区位于流域中下游的冲洪积扇倾斜平原及冲积平原上,地势为东南向西北倾斜,坡降在1/500-1/200,海拔高程为420-600m。属大陆性干旱气候,多年平均气温6.9℃,极端最低气温-37℃,最低月平均气温-16.5℃,最大冻土深度1.8m,多年平均最大冻土深度1.47m。灌区内从南往北,含水层颗粒由粗变细,岩层由一层结构过渡到双层或多层结构,透水性由大变小,潜水位由深变浅。金沟河是冰川融雪补给为主降雨补给为辅的河流,河系年均径流量3.49亿方,自1958年开发建设以来,灌溉面积已发展到50余万亩,是自治区粮食和棉花的主产区,全国大型灌区之一,受益单位为兵团农八师三个团场和沙湾县七个乡镇。

金沟河引水总干渠始建于50年代末,全长54km,设计流量10~45m3/s,坡降0.015~0.008,流速3m/s~7.8m/s,浆砌石及砼防渗。由于地处西北严寒地区,每年冬季土体冻结,在第二年春、夏季全部融化,土壤为一年内冻融交替一次的季节性冻土,这种冻融循环对混凝土渠道及水工建筑物产生极大的破坏力。因此,渠道砼冻胀破坏严重,年年冻胀破坏,年年维修,整个砼面板已经面目前非。

金沟河灌区自1998年被列入全国大型灌区续建配套与节水改造规划以来,在总干渠渠道的设计施工建设中,渠道防渗防冻胀技术的应用显得尤为重要。

二、灌区渠道防渗防冻胀技术措施应用情况

新疆金沟河灌区渠道自1998年改造以来,在渠道防渗防冻胀技术应用中,贯彻因地制宜,安全可靠,经济合理和实用美观的基本原则,从渠道防渗及冻胀破坏的形式出发,认真分析渠道及渠段防渗情况、冻胀破坏的原因及过程,结合灌区渠道的现状及运行特点,在防渗方面采用塑模现浇混凝土双防、现浇混凝土单防、现浇砌筑预制板单防等形式,在防冻胀方面主要从消弱或消除冻胀,抵御或适应冻胀变形等方面采取措施。针对不同渠道及渠段采用不同的防渗防冻胀技术措施及不同的渠道断面。总干渠0+000-14+400段渠道采用塑模现浇混凝土双防,断面为全开挖的梯形断面;总干渠14+400-25+100段渠道采用现浇混凝土单防,断面采用不拆除原渠砼板,直接在原渠上垫高的梯形断面;总干渠25+100-37+400段渠道采用现浇砌筑预制板单防,断面采用置换原基础半挖半填的梯形断面;金安渠采用现浇混凝土单防,断面采用半挖半填、下半部为梯形、上半部为矩形的复合断面。渠道自建设以来,现已通过10多年的运行,工程未发生冻胀破坏,说明渠道防渗防冻胀技术应用是成功的,防冻胀的措施是可值得借鉴的。

三、典型渠道(渠段)防渗防冻胀技术措施案例分析

金沟河灌区渠道已运行四十年,两岸有农田段落的渠道砼冻胀是剥离冻胀和断裂冻胀,无农田段落只是砼板剥离冻胀。冻胀破坏主要原因是渠床土含水量过高造成的。渠床土含水量过高主要是灌溉水和渠道水入渗造成的。渠床土含水量过高,在土温下降到负温以后,土体孔隙中所含水份凝结成冰。由于水变成冰时,体积增大0.09内倍,因此土在冻结时,土体比未冻结时的体积膨胀,产生冻胀。同时,土在冻结时和在冻结持续、深化的过程中,发生水份向冻结锋面迁移,结果能使冻结锋面上冻土体积增大几倍,导致比常规冻胀更严重的冻胀,产生冻胀破坏。针对各渠道及渠段防渗情况、冻胀破坏的原因、过程及采取的防渗防冻胀技术措施分析如下:

(一)总干渠

1、总干渠0+000-14+400段渠道

(1)渠道所处位置的条件和渠道破坏的形式、原因及过程

总干渠0+000-14+400段渠道地质属松散卵石层,厚200-450m,地下水位埋深120m左右,渠道两岸无农田,渠道砼冻胀主要降低了标号,发生了剥离。其原因在于:①由于灌区灌溉的需要,灌区每年都需进行很长时间的冬灌,其间,渠道内的水体将发生不同程度的冻结。开始,两侧形成岸冰,随着严寒的深入,冰层逐渐加厚,对两岸衬砌体产生冰压力,为了不形成冰坝,运行管理人员进行冬季打冰,长期以往,造成防渗体表面发生剥离破坏;②渠道防渗体具有一定的吸水性,在材料输水的过程中,材料内总是含有一定的水分,这些水分在负温的作用下冻结成冰,体积发生膨胀。当这膨胀产生的应力大于防渗材料的强度时,将导致防渗材料的冻融破坏,多次反复作用后,造成防渗体表面发生冻融、剥离破坏。③50年代设计的砼抗冻标号低,同时,工程运行40多年,经过无数次的冻融循环,工程老化,砼标号降低了,抗冻标号也随之降低,所以,渠道砼在年复一年的冻胀作用下发生了剥离破环。

(2)采取的防渗防冻胀技术措施、渠道断面形式及防渗防冻胀效果评价

本段渠道防渗采用塑模现浇混凝土双防,断面为全开挖的梯形断面,防冻胀是在原砼设计的基础上,提高了砼标号,采用C20F200W6砼,这样,提高了砼抗冻标号,提高了砼板自身的抗冻能力,延长了砼的使用寿命;提高了砼标号增强了抵御冻胀变形的能力,从而减小冻胀破坏。

2、总干渠14+400-25+100段渠道

(1)渠道所处位置的条件和渠道破坏的形式、原因及过程

总干渠14+400-25+100段渠道水文地质条件同上,但渠道两岸是农田,砼冻胀非常严重,渠道砼板基本上全部断裂破碎。根据观测渠道多年的使用情况,可知造成冻害的主要原因有两点,一是基土的含水量高,尤其是渠道靠水面线以下部分。渠道两岸是农田,属于挖方断面。基土中的含水主要来源于灌溉水、渠道水入渗及大气降水下渗。渠道砼边板以水面线(灌溉水入渗和渠道水下渗交汇处)为分界线,分为上、下两部分。在这两部分中,上半部分补给水源少,其含水量远远小于下半部分的含水量。二是戈壁垫层失效,由“非冻胀性土”变成“冻胀性土”。在农田灌溉水入渗的渗透力作用下,土壤中的细颗粒被带入到渠道垫层中,随着垫层土量的增加,戈壁垫层就慢慢失效,由“非冻胀性土”变成“冻胀性土”。

基土具备上述两个因素后,在气温下降至0℃以下时,渠道停水后,基土中的含水不能及时下渗到低于冻土临界含水量,基土发生冻胀。其中,基土的下半部分要比上半部分冻胀严重,渠道砼边板受到垂直于它的法向冻胀力,下半部要比上半部大。随着冻胀的不断加剧,渠道旁边灌溉水下渗水份,从未冻土层穿过正在冻结的土层,源源不断的向冻结锋面迁移,使其砼边板下半部分所产生的冻胀力越来越大,上、下部分所受法向冻胀力差值越来越大,当此差值大到超过砼边板抗剪强度时,砼边板就会被剪断。第二年,渠水从断缝中渗入垫层,下半部分变成饱和土,由于上半部土的容重大,滑动力T=Wsina=γHsina大,下半部土的容重小,抗滑力T=WcosatgΦ=γ´HcosatgΦ小,在渠道停水后,整个饱和土往下滑。加之,渠水中悬移质粘粒渗入垫层,加速了垫层的失效。在经过冻胀,砼边板就上、下错位;同时,春天在融雪水渗透力的作用下,整个基土往下滑动,经过无数次的冻融循环,逐渐形成“靠背椅子”。随着运行年代的推移,冻胀破坏就更加严重,使得此段渠道全部冻胀断裂破坏。

(2)采取的防渗防冻胀技术措施、渠道断面形式及防渗防冻胀效果评价

本段渠道防渗采用现浇混凝土单防,断面采用不拆除原渠砼板,直接在原渠上垫高的梯形断面,防冻措施主要包括:①把原砼板不拆除,作为防渗层。这样,既减少灌溉水入渗量和基土含水量,又防止垫层失效和在冻结过程中产生水份迁移;既减少环境污染,又降低工程投资。②直接在原渠上用戈壁砂砾石垫高,戈壁砂砾石是非冻胀性土,可以显著地减少冻胀量,同时,戈壁砂砾石透水性强,灌溉停水后,可加速基土中水份排除或疏干,从而降低了冻结前基土含水量。另外,直接在原渠上用戈壁砂砾石垫高,可减少灌溉水入渗量,减少冻胀破坏。③设置排水设施,排除渠水渗入垫层的水,采用内径d=16cm的UPVC管作为排水管,排水管上布梅花形孔,孔径为0.5cm,孔距为10cm,采用300g/m2的无纺布包裹,并用铁丝扎紧。这样渠道渗入基土中的水能很快通过戈壁砂砾石垫层汇聚到排水管中,顺排水管排除,使基土中的水不聚集,含水量不在增加,从而不发生冻胀(当基土中的含水量小于冻胀临界含水量时)和消弱冻胀。④边板分缝,适应砼板断裂。在以往渠道设计中,衬砌板分缝主要是考虑温度应力及基土的不均匀应力的作用,从而对衬砌砼板进行横向分缝。金沟河总干渠改建,在防冻胀设计中,充分考虑到基土法向冻胀力的作用,结合砼边板冻胀破坏的位置,主要集中在水面线以上20-30cm处。设计时,除了底板每3m设一横缝、边板每2m设一横缝外,还在每块边板水面线以上15cm及30cm处分别设一纵缝,形成错缝,缝宽1.5cm ,缝内用高压闭孔板填缝,1.5cm厚的原浆封口。这样,进行边板在水位变化区纵向分缝,在渠道衬砌结构中,适应或消减冻胀变形,同时,延长垫层的使用寿命,从而减少冻胀破坏。

3、总干渠25+100-37+400段渠道

(1)渠道所处位置的条件和渠道破坏的形式、原因及过程

总干渠25+100-37+400段渠道,基土中的含水来源、渠道冻胀破坏的原因及过程同上。但此段渠道基土地质岩性为含卵石的砂砾石层,中粗砂、粉细砂,岩性颗粒相对较细,属“强冻胀性土”(土颗粒粒径在0.05mm-0.0002mm之间的土),这样,在同一水源补给下,这段渠道基土的含水量要比上段渠道基土的含水量要大得多,此段渠道冻胀破坏显然更加严重。

(2)采取的防渗防冻胀技术措施、渠道断面形式及防渗防冻胀效果评价

本段渠道防渗采用现浇砌筑预制板单防,断面采用置换原基础的半挖半填的的梯形断面,防冻措施主要是根据冻深计算,把渠床冻结深度以内的冻胀土壤更换为非冻胀土,如砂砾料。效果表现为:①减少冻胀量。②戈壁砂砾石透水性强,灌溉停水后,可加速基土中水份排除或疏干,从而降低了冻结前基土含水量。③渠道断面为可半挖半填,减少灌溉水入渗量,减少冻胀破坏。④渠道防渗为现浇砌筑预制板单防,局部冻胀破坏后,能在较短时间内维修,运行管理方便。

(二)金安渠

1、渠道所处位置的条件和渠道破坏的形式、原因及过程

金安渠的地质条件、冻胀破坏的原因及过程与总干渠0+000-14+400段渠道相同,主要是冬天要引水,渠道冻胀破坏比总干渠0+000-14+400段渠道严重。

2、采取的防渗防冻胀技术措施、渠道断面形式及防渗防冻胀效果评价

本渠道防渗采用现浇混凝土单防,断面采用半挖半填、下半部为梯形、上半部为矩形的复合断面。防冻胀措施与总干渠0+000-14+400段渠道相同,其效果不同,主要表现为一是渠道下半部为梯形、上半部为矩形,冬天引水流量稳定,水位线都在矩形断面上,减少了结冰量,相应减少了冻胀破坏;二是渠道半挖半填、下半部为梯形、上半部为矩形,冬天运行打冰方便,人员安全。

四、防渗防冻胀技术措施应用的体会和经验

新疆金沟河灌区渠道自1998年改造以来,通过几年对灌区节水改造工程的改建,金沟河灌区工程状况有了明显改观,运行条件有了很大的改善,并在渠道防渗防冻胀工程设计、施工管理及技术要求、工程运行管理等方面积累了一定的经验,体会也颇多。

(一)渠道防渗防冻胀工程设计

1、打破常规,同一灌区渠道或同一条渠道采用不同的防渗防冻胀技术和不同的渠道断面

总干渠0+000-14+400段渠道采用塑模现浇混凝土双防,断面为全开挖的梯形断面;总干渠14+400-25+100段渠道采用现浇混凝土单防,断面采用不拆除原渠砼板,直接在原渠上垫高的梯形断面;总干渠25+100-37+400段渠道采用现浇砌筑预制板单防,断面采用置换原基础的半挖半填的的梯形断面;金安渠采用现浇混凝土单防,断面采用下半部为梯形、上半部为矩形的复合断面。

2、优化设计,积极推行新技术

金沟河渠道冻胀非常严重,在渠道的改建设计中考虑引起冻胀的各种因素,设计时采取不拆除原渠砼板,直接在原渠底上用戈壁砂砾石垫高,最大限度的利用现有工程,原衬砌层既可作为渠床的基础,又可以作为防渗层阻断根地渗水进入垫层,这样可以减少基土含水量,防止水份迁移和垫层失效,减少冻胀量;在渠底垫层下设UPVC排水管,排水管梅花状行孔,管外无纺布包裹,纵向排水管收集的渗水在适当地形横向排出;边板中部增设横向分缝,错峰布置,适应砼断裂;提高砼标号等措施。从消弱或消除冻胀,抵御或适应冻胀变形几个方面解决冻胀问题。

3、方案确定充分考虑工程运行管理方面的要求

金沟河金安渠有冬引水的要求,冬季引水存在渠道水流结冰的问题,处理不好会影响到渠道的运行安全。每年冬引都要组织大量的人力、物力进行打冰处理。通过对矩形渠道和梯形渠道冬季运行的观测,发现矩形断面的渠道水流结冰量远小于梯形断面渠道结冰量。在进行人工打冰时,矩形渠道比梯形渠道便于操作,有利于工作安全。在有冬引水要求的渠道设计上,不仅考虑冻胀磨损的问题,还考虑建成后运行管理的方便,渠道断面设计采用复合式断面,底下梯形断面,上部为矩形断面;

(二)施工管理及技术要求

施工质量的好坏,直接关系到混凝土板的防渗效果和耐久性,因此在施工建设期间,金沟河流域管理处为进一步确保施工质量,采取了如下几方面的管理措施:

1、建立和落实工程质量责任制

金沟河灌区改建工程参与各方实行项目负责制,要求各参建单位严格遵守国家有关工程质量控制的法律法规,建立健全质量控制管理体系,严格按照水利基本建设规程、质量管理规定、施工技术规范组织施工。

2、落实监理制,充分发挥监理质量控制职能

金沟河灌区改建工程充分发挥监理质量控制职能,重点抓监理的质量意识,强化事前控制,对现场监理的质量控制重点提出严格要求。工程施工过程中,从总监到监理员全部住在施工现场,随时掌握施工单位的施工质量动态和施工单位体系运转情况,每个环节都有监理人员旁站,主要工序施工如混凝土浇筑实行24小时旁站监理;监理人员尊重客观事实,尊重科学,坚持原则,不合格的材料、产品坚决清理出场,把质量隐患消灭在萌芽状态。同时加强制度建设,下发《工程质量管理规定》,对材料、工序的检查制定了详细的规则,发现问题除进行返工外同时进行罚款,所罚款项全部奖励优秀的施工班组,奖优罚劣,收到了显著效果。

3、建立、完善质量保证体系

建立了项目法人负责、监理单位控制、施工单位保证、政府部门监督的质量保证体系,同时,为了确保工程质量,对每一项工程都制定了明确的质量目标和质量改进计划,并将具体的目标任务落实到有关部门和个人,建立健全了各级参建人员的质量责任制和保证质量的各项管理制度,并经常组织质量管理小组围绕质量目标开展质量改进活动。项目法人组建各单项工程技术组与监理同时进驻工地,对工程实施全面系统的管理,各道工序按报验程序严格把关。

4、开展质量大检查活动

开展质量大检查活动是提高质量意识、促进质量全面提高的有力手段。在建设过程中,由金沟河流域管理处组织各有关部门参加,定期对工程质量实行“联检”,对施工单位进行量化打分,评选出施工质量好,进度快的单位,进行奖励,对施工质量差,严重影响工程进度的单位进行通报批评或罚款,使施工单位的质量意识大大提高,并通过互相观摩、互相学习,达到了交流经验、取长补短以共同提高的目的。

(三)运行管理

1、春、秋灌时间的调控

合理确定每年冬前停灌和开春灌溉的时间,对防止渠道冻胀至关重要,金沟河流域管理处根据金沟河灌区的实际情况,冬前停灌时间选在11月上旬,开春灌溉时间在4月初为宜。

2、渠道的检查

渠道及其建筑物检查观察是掌握工程动态,保证工程安全运用的一个重要手段,不仅是制定维修养护方案的基础,也是渠道工程技术管理的重要任务。

金沟河流域管理处的渠道工程检查分为经常检查、定期检查、特别检查。

定期检查是每年放水前、停水后由基层站队协同相关科室人员,对渠道工程的渠顶、渠坡、渠底进行全面检查,重点检查渠道工程的裂缝、冲刷、隆起、冻胀等变化损坏情况,并及时采取措施进行维修,以确保渠道的正常行水。

3、渠道的及时维修

冻胀现象往往一年比一年严重,不及时治理,将导致渠道更为严重的破坏,金沟河流域管理处的维修遵循“重伤不拖延,轻伤不放过,合理安排、逐步解决”的原则进行。在大型灌区未续建配套以前,工程维修分为经常性维修养护和大修,自1998年至今,大型灌区的渠道工程逐年得到了配套,渠道的维修侧重于经常性维修养护,主要是根据经常性检查发现的冻胀缺陷和问题,进行日常保养维护和局部修补。

五、存在的问题

1、存在施工期与灌溉期相重叠的矛盾

因大部分工程为改建工程,季节性较强,施工必须在不影响农作物用水和停止用水后进行,工期紧、任务重、投资有限,加之金沟河灌区上冻较早,每年有较长的寒冷季节,混凝土防渗渠道在施工中虽然采取了一定的防冻措施,冻融破坏虽有所减轻,但是衬砌防渗渠道仍会发生不同程度的冻胀破坏。

2、秋灌导致土壤含水量增加

金沟河灌区所辖的兵团农八师三个团场和沙湾县七个乡镇,一般约在十一月上旬进行秋灌和浇灌林带,这会增加渠基土的含水量,若遇上冻期提前的年份,对衬砌防渗渠道极为不利。

3、防冻胀的方法和技术尚需进一步探索提高

金沟河灌区虽根据自己实际情况及经济实力,采取了防止基土冻胀的方法,但每一种方法都不是也不可能是十全十美,冻胀措施的采取也不是一劳永逸的。