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【摘 要】冻胀破坏在巴州的2个盆地内均有发生,对渠道的危害也最大。
【关键词】渠道;冻胀;处理方式;选择
The choice of the outlet jelly bulge treatment
Lei An-jian
(Agriculture seven teachers Survey a design institute for research Xinjiang Kuitun 833200)
【Abstract】The jelly burst open bad all have occurrence in 2 basin of Ba Zhou, endanger outlet also biggest.
【Key words】Outlet;Jelly bulge;Treatment;Choice
1. 概述
新疆气候寒冷,兴建的防渗渠道极易受到冻胀的的破坏。预制砼板护面防渗渠和现浇砼板护面防渗渠最易受到冻胀的破坏,浆砌石护面防渗渠和干砌石护面防不渗渠次之。冻胀对渠道的危害最大。进一步研究渠道冻胀破坏的机理,采取有效的预防措施,对保证各级防渗渠道的正常运行,减少维修养护的费用意义重大。
2. 渠道冻胀机理
渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成,渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件:
⑴寒冷气候区持续的负温条件;
⑵土壤中自由水和毛细水的存在,并且有通畅的水分补给通道;
⑶土壤本身的物理力学性质,包括土的颗粒组成,矿物质成份等。
在以上三个条件中,土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的的先决条件,也是必备条件。在整个浆胀破坏过程中,水是最活跃的因素。
从目前受冻胀破坏的渠道来看,基本上位于灌区内,且处于灌区中、下游的居多。这是因为在灌区中下游地区,地下水埋深浅,土壤颗粒细,土体中自由水和毛细水的补给十分充足。一旦气温下降至零度以下,土体中的自由水和毛细水的体积受冻膨胀,引起土体膨胀,顶托衬砌,破坏渠道。
在河区下部,冻胀破坏不但发生在挖方渠道中,在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出,毛细水的冻胀性也不容忽视。
综上所述,冻胀破坏是寒冷地区渠道建设中的一大难题,由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致,大多发生在灌区的中下部。
3. 渠道防冻胀处理形式及比较
3.1 渠道防冻胀处理形式。
渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式来实现,即用“U”形或矩形断面来代替梯形断面。但这种处理形式只适用于小渠道,流量小于1m3/s的渠道。对于大渠道来说,若采用这种处理方式,难免造成造价和施工难度的加大,加大的幅度还较大。
从上述导致土体冻胀的的三个基本因素中,只有三个因素同时具备,才发生冻胀破坏。只要消除其中一个因素,就能防止和减轻冻胀危害。从目前新疆地区的气候条件来看,外部温度不达负温是不可能的,因此只有采取保温措施达到内部不负温。切断冻土地基在冻结前、后的水分补给是过去防冻胀处理常用的法,此外改变渠基土体的基本结构也是保证土体非冻胀性的一种方法。
要切断冻土地基在冻结前后的水分补给,通常是采用高填或排水措施来减少水分的补给。但是由于土体颗粒及物理力学性质的决定,毛细水的作用不可忽视。毛细水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上,同样会对渠产生冻胀破坏。例如库尔勒市哈拉苏农场的一个小渠道,流量1.5m3/s,旁边平行有一条深1.5～2m的排水沟,渠道为半挖半填渠道,在施工中就发生了冻胀破坏。因此对于细颗粒土体,要完全切断水分的补给是不现实的,毛细水的冻胀破坏不容忽视。
改变基土的基本结构的办法是进行渠基土的换填,就是用大颗粒的土体填入渠基,将原来的细颗粒土体挖走。这种换填工程量较大,换填厚度一般要大于等于冻土深度。如果在冻土深小的地区使用尚可,若在冻土深较大的地区使用,往往工程量是巨大的。
从目前情况看,任何工程要根本回避和解决冻胀三因素之一,从考虑经济和投资省的情况下,都是非常困难和把握不住的。因此在实际工作中,往往将几种工程措施结合起来使用。即以回避一种因素为主,辅之以回避另一种因素的综合措施进行防冻胀处理。如在汇要两面三刀侧开挖排水沟降供销水分补给的同时,对基土进行一定厚度的换填。用砂或戈壁层加塑膜进行保温,以减少冻胀破坏。
近来随着新型建筑材料的问世,苯板越来越多地应用于渠道的防冻胀处理。苯板防冻胀的主要机理是它具有保温的功效,保证了渠基土不受负温的影响,同上述砂或戈壁层加塑膜保温的原理是一样的。根据现有对苯板的搞冻试验资料,10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁层的保温效果。远大于相当于5～10cm厚戈壁、砂的塑膜的保温效果。
3.2 渠道防冻胀处理形式比较。
在高地下水位区,即使采取了断绝土壤中水分补给的措施,仍难以保证阻止毛细水的上升,因此还必须采取其它防冻胀处理形式。
对渠基土进行换填是一种防冻胀的处理形式,它即改变了渠基土的结构,又具有一定的保温作用。它的优点是:①当渠道附近有大量换填材料时,造价可能便宜;②由于对渠基进行了彻底换填,当质量达到要求时,可保证渠道永久不受冻胀危害。同时也具有以下缺点:①由于换填厚度大,土方工程量较大,当换填材料运距较远时,造价较高;②施工难度大,清除了渠基原土,换填后的砂、戈壁难以进行夯实,要达到施工规范要求,难度较大;③换填料的质量难以把握,要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料,很难寻找料源。若采用人工加工料,则不经济。
若不采用基土回填,只铺设苯板保温,防止渠基土冻胀也是近年来渐渐采用的一种防冻胀处理形式。它只有保温作用,不对基土进行回填。具有以下优点:①抗冻效果好,采用10cm的苯板即达到了换填100cm砂或戈壁的保温效果;②施工方便,渠道开挖断在小。不对基土进行拢动,直接将苯板置于基土上,在苯板上直接进行衬砌材料的施工;③在一定条件下造价便宜,使用的施工机械少,人工省。采用苯板,不进行基土换填,避免了大量土石方机械的使用。当基土换填材料运距大于一定距离时,其造价低的优势立即显现。苯板防
冻胀材料的缺点是:在一定条件下,同换填相比,造价较高。当基土换填材料运距小于一定距离时,其造价明显高于换填处理。
拿某分水枢纽北岸干渠为例。该渠道为某分水枢纽配套输水渠,长km,输水流量m3/s。
4. 苯板防冻胀成功几例
4.1 库塔干渠西干渠。
某干渠是一条主要的灌溉渠道,主要承担向下游灌区的输水任务。干渠由总干渠、东干渠、西干渠组成,目前建设完成了总干渠和西干渠,东干渠即将建设。总干渠长17.8km,上段设计流量为35m3/s,加大流量40 m3/s;下段设计流量30m3/s,加大流量35 m3/s。西干渠长38km,设计流量20~10m3/s,加大流量23~10 m3/s。某干渠灌溉着37.52×104亩的土地面积。
西干渠为梯形断面,渠深3.3m,底宽2.15m,边坡为1:1.5,水深为2.59m。两边渠堤宽度为2.5m,渠道外边坡也为1:1.5。渠道衬砌采用70mm厚的C20预制砼板,砼板下部为60mm厚的苯板用于防冻胀。
渠基土为粉细沙,颗粒细,保水性好,属冻胀土。经苯板防冻胀处理后,经过8年的运行,未发生冻胀破坏。
4.2 某分水枢纽北岸干渠。某分枢纽合并了两岸多座无坝引水龙口,使两岸引水得到了统一管理。北岸干渠全长22.9km,设计引水能力32m3/s,灌溉面积47.55×104亩。它连接了第一分水枢纽及北岸的四条引水干渠,使枢纽发挥作用,实现了用渠道输水代替河道输水。渠道为梯形,底部为弧形。渠深为2.4m,圆弧形底深0.4m,梯形深2.0m,渠底宽为3.0m。渠道内边坡为1:1.75,渠堤顶宽为2.0m,其中封枯板宽为0.6m。渠道衬砌采用现浇砼板,板厚10cm。根据各渠段地基土的情况,渠道防冻胀采用了不同的形式。上段8km采用基土换填的处理方式,下段根据需要,有的地方在弧形底板下部布设了10cm厚的苯板,有的地方在边坡上布设了苯板。渠道上段完工后,发现部分渠段出现了断板和冻胀现象。分析原因,基本上可以得出如下结论:断板原因为换填基土密实度未达设计要求,再加之施工单位偷工减料板厚未达设计厚度所致;冻胀原因为换填基土耒达设计要求的级配,内含细颗粒较多而造成。因此渠道防冻胀形式若采用换填的处理方式,则换填土的本身质量及施工质量对渠道能否正常运行关系较大。在施工过程中,应严格控制,但受施工条件的限制,这些要求达到的难度较大。北岸干渠下段采用苯板防冻胀,施工方便,防冻胀效果较好,但缺点是同换填相比较,造价较高。
4.3 某干渠。某干渠建于20世纪50年代,是主要的灌溉渠道,灌溉面积为11×104亩。干渠现为土渠,长24.814km,渠道纵坡1/6000~1/8000,过水流量为5m3/s,过水断面为20m 流速0.3m/s。渠道渗漏严重,渠道水利用系数为0.85。
计划对该干渠进行防渗改造,采用砼板防渗。由于渠基土为龙四系粉细砂、粉土、粘土,再加之地下水埋深浅,因此渠道受冻胀的威胁较大,防冻胀设计龙其重要。
渠道底宽1~2m,渠深1.86~2.35m,边坡1:1.5~1:1.75,渠堤宽2.5m,封顶板宽0.3m。渠道防渗采用80mm厚的C20预制砼板。防冻胀采用了两种形式比较,一种为砼板下铺60mm厚的苯板保温,一种为渠基换填40~60cm的砂砾垫层防冻胀。
苯板从外地购进,平均运距67km,砂砾料平均运距30km。两种方案的渠道断面相同,经比较,苯板方案总投资为2611.67×104元,换填砂砾料方案总投资为3110.41×104元。方案一具有投资省、施工简单的特点,因此某干渠的防冻胀采用铺苯板保温的设计形式。
5. 结语
对渠道防冻胀处理方式的选择,关系到渠道的造价和施工的难易,必须慎之又慎。苯板作为一种新型的渠道防冻胀处理方式,具有其独特的优点。现阶段巴州对苯板的运用还刚开始,一切还处于试验摸索阶段。虽然已有成功的运用例子,但需在今后的渠道设计与施工中不断地总结经验,进一步完善苯板的防冻理论和实际运用经验,为这一新型防冻材料的大面积推广应用提供条件。
参考文献
[1] 《巴州水利科技》, 1999
[2] DL/5111-2000,水利水电工程施工监理规范
[3] SL233—1999水利水电建设工程验收规程
【关键词】渠道;冻胀;处理方式;选择
The choice of the outlet jelly bulge treatment
Lei An-jian
(Agriculture seven teachers Survey a design institute for research Xinjiang Kuitun 833200)
【Abstract】The jelly burst open bad all have occurrence in 2 basin of Ba Zhou, endanger outlet also biggest.
【Key words】Outlet;Jelly bulge;Treatment;Choice
1. 概述
新疆气候寒冷,兴建的防渗渠道极易受到冻胀的的破坏。预制砼板护面防渗渠和现浇砼板护面防渗渠最易受到冻胀的破坏,浆砌石护面防渗渠和干砌石护面防不渗渠次之。冻胀对渠道的危害最大。进一步研究渠道冻胀破坏的机理,采取有效的预防措施,对保证各级防渗渠道的正常运行,减少维修养护的费用意义重大。
2. 渠道冻胀机理
渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成,渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件:
⑴寒冷气候区持续的负温条件;
⑵土壤中自由水和毛细水的存在,并且有通畅的水分补给通道;
⑶土壤本身的物理力学性质,包括土的颗粒组成,矿物质成份等。
在以上三个条件中,土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的的先决条件,也是必备条件。在整个浆胀破坏过程中,水是最活跃的因素。
从目前受冻胀破坏的渠道来看,基本上位于灌区内,且处于灌区中、下游的居多。这是因为在灌区中下游地区,地下水埋深浅,土壤颗粒细,土体中自由水和毛细水的补给十分充足。一旦气温下降至零度以下,土体中的自由水和毛细水的体积受冻膨胀,引起土体膨胀,顶托衬砌,破坏渠道。
在河区下部,冻胀破坏不但发生在挖方渠道中,在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出,毛细水的冻胀性也不容忽视。
综上所述,冻胀破坏是寒冷地区渠道建设中的一大难题,由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致,大多发生在灌区的中下部。
3. 渠道防冻胀处理形式及比较
3.1 渠道防冻胀处理形式。
渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式来实现,即用“U”形或矩形断面来代替梯形断面。但这种处理形式只适用于小渠道,流量小于1m3/s的渠道。对于大渠道来说,若采用这种处理方式,难免造成造价和施工难度的加大,加大的幅度还较大。
从上述导致土体冻胀的的三个基本因素中,只有三个因素同时具备,才发生冻胀破坏。只要消除其中一个因素,就能防止和减轻冻胀危害。从目前新疆地区的气候条件来看,外部温度不达负温是不可能的,因此只有采取保温措施达到内部不负温。切断冻土地基在冻结前、后的水分补给是过去防冻胀处理常用的法,此外改变渠基土体的基本结构也是保证土体非冻胀性的一种方法。
要切断冻土地基在冻结前后的水分补给,通常是采用高填或排水措施来减少水分的补给。但是由于土体颗粒及物理力学性质的决定,毛细水的作用不可忽视。毛细水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上,同样会对渠产生冻胀破坏。例如库尔勒市哈拉苏农场的一个小渠道,流量1.5m3/s,旁边平行有一条深1.5～2m的排水沟,渠道为半挖半填渠道,在施工中就发生了冻胀破坏。因此对于细颗粒土体,要完全切断水分的补给是不现实的,毛细水的冻胀破坏不容忽视。
改变基土的基本结构的办法是进行渠基土的换填,就是用大颗粒的土体填入渠基,将原来的细颗粒土体挖走。这种换填工程量较大,换填厚度一般要大于等于冻土深度。如果在冻土深小的地区使用尚可,若在冻土深较大的地区使用,往往工程量是巨大的。
从目前情况看,任何工程要根本回避和解决冻胀三因素之一,从考虑经济和投资省的情况下,都是非常困难和把握不住的。因此在实际工作中,往往将几种工程措施结合起来使用。即以回避一种因素为主,辅之以回避另一种因素的综合措施进行防冻胀处理。如在汇要两面三刀侧开挖排水沟降供销水分补给的同时,对基土进行一定厚度的换填。用砂或戈壁层加塑膜进行保温,以减少冻胀破坏。
近来随着新型建筑材料的问世,苯板越来越多地应用于渠道的防冻胀处理。苯板防冻胀的主要机理是它具有保温的功效,保证了渠基土不受负温的影响,同上述砂或戈壁层加塑膜保温的原理是一样的。根据现有对苯板的搞冻试验资料,10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁层的保温效果。远大于相当于5～10cm厚戈壁、砂的塑膜的保温效果。
3.2 渠道防冻胀处理形式比较。
在高地下水位区,即使采取了断绝土壤中水分补给的措施,仍难以保证阻止毛细水的上升,因此还必须采取其它防冻胀处理形式。
对渠基土进行换填是一种防冻胀的处理形式,它即改变了渠基土的结构,又具有一定的保温作用。它的优点是:①当渠道附近有大量换填材料时,造价可能便宜;②由于对渠基进行了彻底换填,当质量达到要求时,可保证渠道永久不受冻胀危害。同时也具有以下缺点:①由于换填厚度大,土方工程量较大,当换填材料运距较远时,造价较高;②施工难度大,清除了渠基原土,换填后的砂、戈壁难以进行夯实,要达到施工规范要求,难度较大;③换填料的质量难以把握,要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料,很难寻找料源。若采用人工加工料,则不经济。
若不采用基土回填,只铺设苯板保温,防止渠基土冻胀也是近年来渐渐采用的一种防冻胀处理形式。它只有保温作用,不对基土进行回填。具有以下优点:①抗冻效果好,采用10cm的苯板即达到了换填100cm砂或戈壁的保温效果;②施工方便,渠道开挖断在小。不对基土进行拢动,直接将苯板置于基土上,在苯板上直接进行衬砌材料的施工;③在一定条件下造价便宜,使用的施工机械少,人工省。采用苯板,不进行基土换填,避免了大量土石方机械的使用。当基土换填材料运距大于一定距离时,其造价低的优势立即显现。苯板防
冻胀材料的缺点是:在一定条件下,同换填相比,造价较高。当基土换填材料运距小于一定距离时,其造价明显高于换填处理。
拿某分水枢纽北岸干渠为例。该渠道为某分水枢纽配套输水渠,长km,输水流量m3/s。
4. 苯板防冻胀成功几例
4.1 库塔干渠西干渠。
某干渠是一条主要的灌溉渠道,主要承担向下游灌区的输水任务。干渠由总干渠、东干渠、西干渠组成,目前建设完成了总干渠和西干渠,东干渠即将建设。总干渠长17.8km,上段设计流量为35m3/s,加大流量40 m3/s;下段设计流量30m3/s,加大流量35 m3/s。西干渠长38km,设计流量20~10m3/s,加大流量23~10 m3/s。某干渠灌溉着37.52×104亩的土地面积。
西干渠为梯形断面,渠深3.3m,底宽2.15m,边坡为1:1.5,水深为2.59m。两边渠堤宽度为2.5m,渠道外边坡也为1:1.5。渠道衬砌采用70mm厚的C20预制砼板,砼板下部为60mm厚的苯板用于防冻胀。
渠基土为粉细沙,颗粒细,保水性好,属冻胀土。经苯板防冻胀处理后,经过8年的运行,未发生冻胀破坏。
4.2 某分水枢纽北岸干渠。某分枢纽合并了两岸多座无坝引水龙口,使两岸引水得到了统一管理。北岸干渠全长22.9km,设计引水能力32m3/s,灌溉面积47.55×104亩。它连接了第一分水枢纽及北岸的四条引水干渠,使枢纽发挥作用,实现了用渠道输水代替河道输水。渠道为梯形,底部为弧形。渠深为2.4m,圆弧形底深0.4m,梯形深2.0m,渠底宽为3.0m。渠道内边坡为1:1.75,渠堤顶宽为2.0m,其中封枯板宽为0.6m。渠道衬砌采用现浇砼板,板厚10cm。根据各渠段地基土的情况,渠道防冻胀采用了不同的形式。上段8km采用基土换填的处理方式,下段根据需要,有的地方在弧形底板下部布设了10cm厚的苯板,有的地方在边坡上布设了苯板。渠道上段完工后,发现部分渠段出现了断板和冻胀现象。分析原因,基本上可以得出如下结论:断板原因为换填基土密实度未达设计要求,再加之施工单位偷工减料板厚未达设计厚度所致;冻胀原因为换填基土耒达设计要求的级配,内含细颗粒较多而造成。因此渠道防冻胀形式若采用换填的处理方式,则换填土的本身质量及施工质量对渠道能否正常运行关系较大。在施工过程中,应严格控制,但受施工条件的限制,这些要求达到的难度较大。北岸干渠下段采用苯板防冻胀,施工方便,防冻胀效果较好,但缺点是同换填相比较,造价较高。
4.3 某干渠。某干渠建于20世纪50年代,是主要的灌溉渠道,灌溉面积为11×104亩。干渠现为土渠,长24.814km,渠道纵坡1/6000~1/8000,过水流量为5m3/s,过水断面为20m 流速0.3m/s。渠道渗漏严重,渠道水利用系数为0.85。
计划对该干渠进行防渗改造,采用砼板防渗。由于渠基土为龙四系粉细砂、粉土、粘土,再加之地下水埋深浅,因此渠道受冻胀的威胁较大,防冻胀设计龙其重要。
渠道底宽1~2m,渠深1.86~2.35m,边坡1:1.5~1:1.75,渠堤宽2.5m,封顶板宽0.3m。渠道防渗采用80mm厚的C20预制砼板。防冻胀采用了两种形式比较,一种为砼板下铺60mm厚的苯板保温,一种为渠基换填40~60cm的砂砾垫层防冻胀。
苯板从外地购进,平均运距67km,砂砾料平均运距30km。两种方案的渠道断面相同,经比较,苯板方案总投资为2611.67×104元,换填砂砾料方案总投资为3110.41×104元。方案一具有投资省、施工简单的特点,因此某干渠的防冻胀采用铺苯板保温的设计形式。
5. 结语
对渠道防冻胀处理方式的选择,关系到渠道的造价和施工的难易,必须慎之又慎。苯板作为一种新型的渠道防冻胀处理方式,具有其独特的优点。现阶段巴州对苯板的运用还刚开始,一切还处于试验摸索阶段。虽然已有成功的运用例子,但需在今后的渠道设计与施工中不断地总结经验,进一步完善苯板的防冻理论和实际运用经验,为这一新型防冻材料的大面积推广应用提供条件。
参考文献
[1] 《巴州水利科技》, 1999
[2] DL/5111-2000,水利水电工程施工监理规范
[3] SL233—1999水利水电建设工程验收规程