冻土地区渠道治理工程设计—以新疆某渠道工程为例

孟 奇

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 石河子 836800)

0 引 言

灌区渠道工程作为灌区工程的“血管”对灌区水利用效率有较大的影响。早期修建的渠道工程建设标准低下，导致水资源浪费严重[1-3]。为了提高灌区水资源利用效率，对该部分渠道工程进行改造是十分必要的。地基土冻胀是影响上部结构安全的一个重要因素，在冻土地区冻土的处理是非常重要的[4-5]。

渠道现状为土渠，渠道深1.2m-2.5m，边坡1∶0.5-1∶1.5，纵坡0.7‰。渠道堤顶宽0.4m-5.0m，由于多年的清淤物直接堆积于渠顶，渠顶高低不平，宽窄不一。渠道左右岸大部分为耕地，间歇夹有部分荒地。渠道存在渗漏、冲刷；大部分分水闸为临时分水口，无闸门，交通设施简陋，管理道路不通。防渗渠全长2.5km，控制灌溉面积1873亩，主要提供农业灌溉用水，兼具防洪。上游段保护对象为耕地2万亩，保护人口0.4万人；下游段保护对象为耕地1.3万亩，保护人口0.4万人。

1 渠道横断面设计

1.1 断面形式

目前，灌区内渠道主要采用梯形断面形式。该断面类型运行管理方便，施工质量容易控制，施工技术相对成熟，因此本次设计采用梯形断面。

图1 梯形渠道典型横断面示意图

1.2 渠道经济断面

梯形渠道实用经济断面的计算方法，及多泥沙渠道的宽深比断面两种方法，并结合现渠道断面尺寸，最终确定本次改造渠道的断面结构尺寸。

(1)

b0=2[(1+m2)1/2-m]h0

(2)

A0=b0h0+mh02

(3)

x0=b0+2(1+m2)1/2h0

(4)

R0=A0/x0

(5)

V0=Q/A0

(6)

式中：h0、b0、x0、R0为断面水深、底宽、湿周、水力半径，m；n综合糙率；取0.016；Q为渠道设计流量，m3/s；m渠道内边坡系数，取1.5；i为渠道比降；A0为断面面积，m2；V0为断面流速，m/s。

水力最佳断面计算结果见表1。

表1 防渗渠水力最佳断面计算表

实用经济断面底宽和水深，计算结果见表2。

表2 防渗渠实用经济断面水力计算表

通过比较，在满足渠道每个分水口取水要求的前提下，渠道采用的横断面应该采用渠底宽与渠深相差不大的宽浅式渠道。在此情况下，从经济、实用方面均是适当得、合理的。鉴于防渗渠水源为河水，泥沙含量多，渠道纵坡较缓，在0.5‰-0.8‰之间，渠道流速也不大，多段渠道流速<不淤流速，造成渠道泥沙沉积，进而影响渠道正常运行。

按照工程量最小且对渠道抗冻较为有利的原则，结合现状渠道断面和渠道已改建实施段断面，本次采用窄深式渠道，0+000-2+500段渠道设计底宽取0.5m、边坡1∶1.5、渠深1.4m。

3 衬砌形式选择

根据渠道沿线渠基土地层岩性，项目区渠基岩性为主要为含细粒土砂及黏土，渗透性强，抗冲性能弱，需采取防渗防冲衬砌。

根据本地区已建防渗渠的运行情况，由于渠道坡度小，浆砌石衬砌形式过流能力低，流速较混凝土衬砌形式小，易造成渠道淤积，故本次设计仅进行全断面现浇混凝土板衬砌形式和边坡预制、底板现浇两种方案进行比较：

方案一：全断面现浇混凝土板衬砌

渠道底宽0.5m，渠深1.4m，边坡坡比1∶1.5。渠道堤顶宽2m，渠底8cm现浇混凝土板+35cm砂砾石垫层，边坡8cm现浇混凝土板+35cm砂砾石垫层，边坡顶设封顶板，封顶板宽30cm，厚8cm，混凝土强度等级C20，抗冻等级为F200。单位投资130.41万元

方案二：底板现浇混凝土、边坡预制混凝土板衬砌方案

渠道底宽0.5m，渠深为1.4m，边坡坡比1∶1.5。渠底采用8cm现浇混凝土板+35cm砂砾石垫层，边坡采用6cm预制混凝土板35cm 砂砾石垫层，混凝土强度等级C20，抗冻等级为F200。单位投资153.60万元

从经济比较结果可以看出，预制混凝土板衬砌方案比全断面现浇混凝土衬砌投资高23.20万元，因此本次设计采用全断面现浇混凝土板形式。

4 抗冻胀设计

根据地质报告标准冻深为0.8m，根据渠道沿线机井的多年水位变化观测，地下水一般>3 m，工程区内地下水位每年3 月份达到全年最高，11-12月最低，地下水年内变化幅度为0.5-1.0m。渠道沿线的地基土岩性主要为含细粒土砂、黏土为主，由颗分实验结果可知其粒径<0.075mm 颗粒含量分别为5.2-8.3%、88.4-97.5%。工程区渠道沿线黏土为冻胀性土(渠基土)，建议渠道设计中对黏土应采取抗冻胀的措施。

工程设计冻深见表3：

表3 设计冻深Zd 计算表

4.2 基础设计冻深

基础设计冻深按下式计算：

Zf=Zd-0.35δc-1.6δw

(7)

式中：Zf为设计冻深，m；δw为基础上面冰厚；本项工程取值为0；δc为基础板厚。

基础下土的冻深按下式计算：

Zb=Zf-δc

(8)

式中：Zb为基础下冻深，m。

基础下土的冻胀量按下式计算：

hf=h·Zf/Zd

(9)

式中：hf为基土冻胀量，mm；Zw为地下水水位埋深。

基础下土冻胀量见下表4：

表4 基础设计冻深Zf、基础下土冻胀量计算表

经计算结果，可以看出基础下土的冻胀位移量均超出梯形断面混凝土板衬砌结构和梯形断面混凝土板衬砌结构的位移量范围，该渠道应采取抗冻胀措施。

4.3 渠道抗冻胀措施中材料的选择

渠道抗冻胀设计采用渠基换填法和苯板保温法进行比较如下：

1)渠基换填法

根据实际应用情况和实践经验，经过计算，渠底和阴坡换填层厚度取20-35cm，为了减少工程量，节约投资，渠坡换填层厚度根据水份运移情况做成变厚形式，渠顶部和阳坡换填层20cm。

2)保温法

近十几年来，在国内外有应用聚苯乙烯板解决渠道基土冻结和衬砌板冻胀破坏问题，效果良好。工程设计冻深为阴坡86cm，阳坡69cm，则苯板厚度阴坡为8.6cm-5.7cm，阳坡为6.9cm-4.6cm，结合已有实践经验，阳坡苯板厚度为5cm，阴坡为6cm。

3)材料的选定

以砂砾石换填每公里换填量为1660m3，以苯板换填每公里换填量为160m3，砂砾石32.16元/m3，苯板400元/m3，则砂砾石换填5.33万元/km，苯板换填6.4万元/km。

通过对上述两种方案的投资、施工、运行安全及建筑材料等方面的比较，砂砾石方案具有投资少、施工方便等优点，运行管理及其它方面无可比性，比选内容如表5。

综上所述，选择砂砾石换填为本工程的抗冻胀设计推荐方案。

5 结 论

新疆地区水资源较为短缺，为了提高灌区水资源利用效率，对既有老化渠道进行改造。根据工程经验选取梯形断面适用性较强，根据经济计算确定渠道的经济断面。通过比选采用全断面现浇混凝土板型式投资低。由于渠道地基土具有较强的冻胀性，为保证渠道的安全，采用砂砾石换填对冻胀土进行处理。

表5 两方案技术经济比较表