渠道衬砌防渗和防冻胀的设计与探讨

李严坤，王国志，屈明洋

渠道衬砌防渗和防冻胀的设计与探讨

李严坤1，王国志1，屈明洋2

（1.黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江大庆163316；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080）

为了保证北引渠道输水安全和达到防渗及防冻胀的目的，对原有引水总干渠道进行了扩建，采用了预制混凝土板、土工膜双防结构断面形式，通过对渠道进行防渗和防冻胀设计技术，探讨了省工省料、防渗和抗冻效能好的的经验，同时提出了相应建议。

渠道衬砌；防渗；防冻胀；设计；措施

为满足大庆市工业用水和沿途县镇灌溉农业用水，提升输水能力降低渠道输水渗漏问题，自2008年9月开始，黑龙江省引嫩扩建骨干一期工程北部引嫩总干渠乌北段输水渠道采取了一系列防渗措施。北部引嫩总干渠乌北段（0＋000～50＋000km），由于地处高寒区，冬季气温低（年平均气温5～-3℃，极端最低气温-40℃），20世纪70年代初期兴建的引水干渠只是对进水闸下游250 m内边坡进行了护砌，渠底基本未护砌，输水渗漏问题严重。根据近年来制定的《渠道防渗工程技术规范》（GB／T50600—2010）和《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23—2006），此规范较系统、全面的规范了渠道工程在防渗设计和抗冻设计中所采用技术要求，使我国在渠道工程中的防渗设计和防冻胀设计达到了规范化的要求［1］，同时土工膜和预制混凝土板的应用为解决渠道防渗问题提供了经验和新途径。

1 渠道横断面防渗设计

1.1 防渗膜铺衬方式及选用

作为引嫩扩建工程永久性输水渠道，处于寒带经历土壤冻、融、胀、缩等复杂过程，为了减缓防渗膜的老化速度，延长使用寿命，技术要求采用埋藏式铺设为适宜。梯形断面能保证防渗膜在自然松弛状态下使其呈最大表面积铺在地基土或边坡堤土上，不致出现褶皱现象或防止局部拉的太紧土基沉降时土工膜产生撕裂，导致整体性破坏，防渗膜下形成气泡等现象。应用渠道防渗技术后，减少渗漏损失的87%～92%。土工膜平贴渠堤铺设，铺设时不要拉的太紧，且铺完后禁止任何机械在上面作业，两幅之间搭接宽度＞20 cm，在顺水流方向上要上游幅压下游幅进行搭接。

目前，中国各地生产的的复合土工膜所用的化学原料不同，厂商经营品种较多，经资质单位检测合格后只要其物理力学指标满足规定标准均可采用。

1）顶破强力（CBR）为1.2 kN≥1.1 kN。

2）纵向断裂强度为5.2 kN／m，横向断裂强度为5.3 kN／m≥5.1 kN／m。

3）断裂强度为54%、55%，在30%～120%。指标满足工程要求，设计和施工严格按《土工合成材料应用技术规范》和《堤防工程施工规范》执行。

1.2 边坡受力分析

首先是在保证渠道断面稳定，其次是为了最大限度地节约土地、材料和劳动力，试验资料表明，采用边坡比≥1∶2.5。在高地下水位区衬砌渠道衬护后边坡的稳定性是重力与地下水的作用力以及衬砌防护结构的支护作用力形成的抗滑力与滑动力之间受力进行判断。作者在这里采用面破坏模式，要求土体沿滑动面满足屈服强度的原则进行研究受力分析，边坡渗流溢出线以下，采用分割单元取边坡表面层单位土体的极限平衡方程，公式为：

式中：r＇为被研究边坡土体浮密度，g／cm3；Ic为临界水力坡降；rw为水的密度，g／cm3；φ为土体内摩擦角；∂为渠边坡坡脚；φ＇为衬砌体与紧邻坡面土体的内摩擦角；θ为水流线与水平线的夹角。

结合工程实际，选取边坡渗流溢出处滑动面单位土体为研究对象，渠道边坡浮力分析见图1。根据受力条件有：

上述极限平衡方程等式的左侧：

当下游用水量减少，进水闸闸门开度降低，导致出现渠道水位骤降情况；当坡面有顺坡渗流时，对于堤身是极不稳定的，总干渠设计时对坡面进行混凝土板护砌。

图1 渠道边坡受力分析示意图

其中：Ni为衬护体自重产生的垂直坡面的压力；Ri为衬护体产生的抗滑摩擦力；fi为渗透力；Gi为土体重力；Fi为浮力。

1.3 保护层材料的确定

1）保护层的作用：避免植物根系穿透土工膜或者无纺布，同时防止阳光和大气的影响加快土工膜或者无纺布的老化过程，由于垫层施工时要求表面平整又增加了膜料的幅宽，提高材料的利用系数，降低造价。

2）防渗作用，扩大了土工膜防渗渠道的适用范围，并且可以防止渠道内水位降落，带走土颗粒。

根据省内工程运用经验，保护层材料（垫层）厚度通常采用冻深的1／3为宜，一般由10～15 cm厚的中粗砂垫层组成。本工程采用砂垫层10 cm，上表面用12 cm厚的混凝土板护面，采用双层防护措施一方面可以减少扬压力和渗透水压力作用，另一方面还能适应流量为116 m3／s的渠道水流速，扩大了土工膜防渗渠道的适用范围。为了防止反滤层从膜料上滑塌以及稳固混凝土板，必须进行固坡处理。引嫩扩建骨干工程属于省内大型的渠道工程，稳固边坡护砌混凝土板和渠底混凝土板的措施及操作方法是采用50 cm×50 cm×20 cm厚的混凝土板来稳固渠底坡脚，采用该固脚后整体性强，且具有一定的强度，0～50 km渠道护砌工程从2010年运行至今固脚变形或者脱落情况鲜有发生，表明既能起到固坡作用，又能进一步起到保护反滤层的作用。砂垫层厚度偏小值≤0.02 m；平整度允许偏差≤±0.5 cm。

2 混凝土板、土工膜断面双防渠道的防冻胀设计

混凝土等刚性材料和复合土工膜料等柔性材料相结合是高寒地区合理也是应用最广泛的渠道防渗结构型式。一方面保护层起保护膜料作用，防止老化、防冻胀的作用，刚性材料保护层护砌混凝土板还有加固渠道的作用，复合土工膜主要起着防渗和适应渠堤土不均匀变形的作用。二者的结合防止渠道由于受到寒区冻胀破坏，产生土堤不均匀变形，保证土工膜的不塌落和提高渠坡稳定性以及完整性。因此这种结合方式防渗效果好，并且有利于防治冻胀破坏对堤坝产生的危害［2］。

2.1 设计成渠的水文地质条件

渠道为半挖半填渠道，以挖方为主，渠道沿线为第四系全新统冲击层（alQ4），表层岩性以砂性土为主。渠道利用系数低，渗漏严重，造成渠道两侧渠堤次生盐渍化。因此设计采用渠堤用黏土或砂壤土分层碾压填筑，土工膜进行堤型两侧断面防渗与渠底连接成防渗整体。为了防止冻胀和盐胀，渠堤碾压干容重≥1.65 g／cm3。通过渠基压密以后，一方面土中的自由水少了，表现在同一负温下，土壤中水分成冰量随之减少了；与此同时，土壤中可供其在负温度条件作用下迁移的水分也很少，冻胀量随之减少、降低。其中，乌北11～50 km左、右堤采用土工膜上覆，可有效减少雨水的渗入和渠底渗水，从而降低渠堤土的含水量，使渠道具备了防渗漏、防冻胀破坏的效果。

历年北引引水在9月底结束，11月底进入结冻期。渠道的设计水深在3.5 m，有利于停水后在冻结前渠道土壤内的水分尽快排干，减轻冻胀对渠道衬砌的不利影响，渠道采用基土换填水积砂或者砂砾石混合料，依据附近砂砾料场及其储量情况，将冻深范围内的产生冻胀变形土壤部分用砂砾料替换掉用以缩减冻胀变形、同时提升了边坡的稳定性。当远离嫩江主河道地下水位很浅，渠堤土处于毛细饱和区又无排水设施时，采取的措施是将产生冻胀破坏范围内的基土换掉，这样才能防止渠堤每年都产生冻胀变形，影响堤坝运行安全。换填中粗砂砾混合料的去用因地制宜，就近运输减少工程造价，需要强调的是换填料中的含泥量一定要小于规定的标准值，砂粒径＜0.1 mm的颗粒含量按地下水位的高和低控制在5%～7%以下。又由于中粗砂砾混合料的不均匀系数小，孔隙率大，所以排水效果好。渠道在实际开挖和填筑时要避开埋深较浅的地下水，减少地下水对渠道冻胀的影响和防止土壤盐分的聚积，防止盐碱化的发生。对具有Ⅲ级以上冻胀性土体的渠道防渗工程，其在理论上冻胀量h应＞12 cm，其换填厚度用下式计算：

式中：hi为渠道横断面上分析部位的设计冻胀量，cm；h[ ]1为应用防渗材料渠道的允许冻胀量；Hoi为渠道横断面上分析部位的设计冻胀深度值，cm。

2.2 设计考虑的渠道引水条件

渠道引水和输水为直接引嫩江水，渠道冲於不平衡，渠道边坡垮塌，渠底水草密布，严重影响渠道的安全运行及正常灌溉。为了防止渠道产生冲刷和淤积变形，采用混凝土板衬砌的方式。混凝土强度等级采用C25，抗冻等级采用F200，级配要求2级配，水泥使用硅酸盐水泥，骨料要求质地坚硬，这些条件增加了混凝土防冻融破坏的性能。断裂力学出现后，以前人们尝试用断裂力学的理论来研究分析混凝土的断裂机理和宏观裂缝的稳定性及其产生机理，其中学者Neville认为混凝土试件断面及整个尺寸对其强度的影响与混凝土中随机分布的宏观裂缝有密切的关系［7］。经过4 a渠道通水运行发现预制混凝土板衬砌，产生冻胀裂缝分散发生在各砂浆结合连接缝处，但产生的缝宽极小，非冬季消融期大部分较易闭合，方便和减少维修及其次数，表明其设计尺寸及其要求能够适应冻胀变形。本设计采用预制混凝土板衬砌渠道的方式，可以减少该渠道的糙率，糙率n在0.017～0.020；所以增大了水流流速，同时提高了输水量，满足下游工农业用水的需求；理论方面在输水量一定的前提下，可以减少渠道断面面积，从而相应减少主体工程工程量及占地面积，从而减少破坏基本农田提高保护生态环境的要求，化解多年来北部引嫩灌渠与当地征地的矛盾，同时也节约国家资金投资，同时也减少了引嫩灌渠受冻面积，保证在每年4月—9月的通水期顺利运行。

3 讨 论

1）统计研究表明梯形断面情况下，允许冻胀变形值为2.7 cm，冻胀残余变形值为3.2。对于渠底预制混凝土板护面设计成弧形断面较佳，但实际设计时是按照标准梯形断面，因为虽然在自重的作用下，渠底混凝土板面有一定反拱力，保证整体断面比较稳定，考虑到引嫩灌渠长度为240 km，施工作业面大，战线太长，带水作业困难，设计时采用标准梯形断面，另外，标准梯形断面湿周小，水力半径大，从而有效减少沿程损失，有效提高过水能力，另外在左堤和右堤堤顶下0.5 m处采用堤身上覆土工膜方式，有效减轻了冻胀破坏的发生。

2）根据当地的气温、土壤特性以及地下水位等资料，对衬砌渠道阴坡和阳坡可以采用合理厚度4～8 cm的保温板，能够消除边坡中、下部的冻胀，使其冻胀量保持在规范允许范围内。根据《渠系工程抗冻胀设计规范》规定保温法可以在中小型渠道的强冻胀地区中采用的防冻措施。若采用保温和换填法相结合的措施后，冻胀量的减少趋势如何变化以及置换冻深料的换填厚度将会发生的变化规律，应深入进行试验研究。

3）因总干渠全段面防渗护砌阻断了堤身的排水出路，因此堤后需设置排水设施，设计时考虑在左侧设置坡水沟，周边渠坡水经过坡水沟，汇集渠底涵洞后排入嫩江主河道，同时可以采用带有反滤作用的排水管排水。通过通水运行该措施可以降低堤身浸润线和出逸点高度，基本上消除了背水坡渗流出逸比降过大对堤身的影响。

4）采用复合衬砌即预制混凝土板或者现浇混凝土＋复合土工膜的方式进行渠道防渗时，其防渗抗冻能力更加明显，具有适应变形能力和提高耐久性的性能，说明了采用混凝土板衬砌和复合土工膜双防渠道设计的科学性和合理性。

［1］任之忠.渠道衬砌工程采用保温与换填防冻措施的设计［J］.防渗技术，1998（04）：9-11.

［2］季仁保.渠道防渗技术新进展［J］.中国农村水利水电，2003（04）：1.

S277

B

1007-7596（2015）07-0060-03

2015-06-28

李严坤（1977-），男，黑龙江大庆人，工程师；王国志（1967-），男，黑龙江大庆人，教授级高工；屈明洋（1986-），男，黑龙江哈尔滨人，工程师。