阿克苏地区双防渠道的防冻措施

阿克苏地区位于新疆南部、天山南麓、塔里木盆地北缘,总面积13.25万平方公里,东接巴音郭楞蒙古自治州,南隔塔克拉玛干沙漠与和田地区相望,西南连接喀什和克孜勒苏柯尔克孜自治州,西北同吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦共和国接壤,北以天山为分水岭同伊犁哈萨克自治州交界。辖8县1市、83个乡镇、46个国营农林牧场、新疆生产建设兵团农一师及所属阿拉尔市和16个团场分布在地区境内。属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候,具有光照充足、热量丰富、降水量小、蒸发量大、气温较差悬殊等特点。年平均气温10.8℃,历年极端最低气温零下28.4℃(1967年1月),最冷月平均气温为零下8.8℃,最大冻深78cm,多年平均冻深52.5cm,封冻期为每年11月底,解冻期次年2月初,历年负温天数75天,基本上都位于季节性冻土地区。由于基土的冻结鼓胀和融化沉陷,防渗渠道的损坏十分严重,不仅降低了双防渠道的防渗效果、浪费了极其宝贵的水资源,而且大大降低了工程寿命,每年需要较多的维修费用来维持渠道运行,因此,解决双防渠道的冻胀破坏有着十分重要的意义。

1渠道冻胀的基本特征

渠道基土发生冻胀,是由于持续负温的气候条件、基土的冻胀特性、基土的水分存在以及冻结过程中水分的不断补给等因素综合作用的结果。负温是造成土壤冻结的能源条件,水分是冻结过程中最活跃的因素。通过试验发现,只有土壤含水量达到一定的临界值后,土壤才可能发生冻胀。同时,在“开敞系统”中,冻结过程中土壤内将发生水分迁移现象,融土中的水分向冷冻锋面聚集形成聚冰层,所以在“开敞系统”中土壤受外来水分的补给,冻胀更加强烈。由于渠道断面各部位接受阳光辐射不均一,表面温度不同,渠道断面各部位基土冻结深度不一致,因而各部位的冻胀程度也不同。渠道走向愈接近东西方向,南北坡面和渠底冻深及冻胀量的差异就愈大。

根据试验,冻土层距地下水位愈近,冻胀强度愈大,地下水埋深小于一定深度后,冻胀强度急剧上升。为避免冻胀破坏,双防渠道底部高出地下水位的距离应不小于上述数值加冻深。减少基土含水量是防治双防渠道冻胀的重要途径。可采取“上防下离”的措施。“上防”即采取高效能防渗措施,尽量减少渠水对基土的水分补给,“下离”就是使渠道与地下水之间保持一定的距离,防止地下水补给冻结区。

2防治渠道冻胀的原则与主要方法

防治渠道冻胀应坚持工程措施与管理措施相结合的原则,将换基改土与“上防下离”相结合,从改善土壤性质和减少土壤水分两方面来综合解决。其主要方法有以下几种。

2.1设计阶段正确选择渠线和进行规划布置。为了防止地下水位较高地区渠道冻胀破坏,在经济和地理条件允许的情况下尽量抬高渠底,控制地下水位,尽量采用填方渠道,避免半挖半填方或全挖方渠道。渠线应尽可能远离耕地及其它水源。对已经成型的渠道可采用降低地下水位的方法来防止冻胀破坏,即在渠道两侧修建截、排水系统。在地下水位较高的地段,尤其是挖方渠段,可采用在渠旁修建截水、排水沟的办法切断基土水的外补给来源,降低地下水的水位,一般使地下水位降至防冻层50cm以下,截水、排水沟可做成明沟也可做成暗沟,从地形和占地方面考虑,暗沟较为合适。

2.2非冻胀土置换基土。由于本区砂砾石和风积砂储量丰富,分布广泛,开采方便,大多可就地取材,成本相对较低,施工工艺较简单,便于操作。根据多年的实践证明,采用换填砂砾石或风积沙防冻胀效果良好,且能对盐胀起到有效的防止作用。采用砂砾石做防冻体时,防冻体填筑厚度底部为50cm,如果渠道走向分阴阳坡,则阳坡上口为30cm,下口为50cm,阴坡上口为45cm,下口为60cm;采用风积沙防冻体时,防冻体填筑厚度一般为25～30cm。防冻体施工质量的好坏与防冻效果有着密不可分的关系,因此施工质量控制非常重要,防冻料的选择也很关键,防冻料中粒径小于0.075mm的颗粒含量应小于10%,施工前应作击实试验,确定防冻体的压实度,确保的压实度符合设计要求。但换填砂砾石或风积沙均需要大量的人工,施工周期长,不利于抢工期的工程。

2.3铺设聚苯乙烯泡沫保温板。负温是渠道发生冻胀破坏的外因,通过提高冬季渠道基土的温度,便可以削减或消除渠床基土在冬季的冻胀变形,避免渠道的冻胀破坏。聚苯乙烯泡沫板具有较好的隔热性能,其导热系数≤0.04W/(m・℃),在渠道混凝土下铺设一层聚苯乙烯泡沫板代替砂砾石或风积沙垫层,能够有效地阻止基土温度的降低,避免或减轻基土冻胀变形,从而防止渠道冻胀破坏。

2.4合理选择双防形式。

2.4.1在冻胀较强地区,为适应冻胀变形,渠道双防一般以预制混凝土板为主,这种结构的冻胀裂缝分散发生在砂浆勾缝处,缝宽较小,消融期较易闭合,宜于维修。在冻胀较弱地区或冻胀虽强但已采取了充分抗冻措施的渠道,为减小渗水缝并增加混凝土板的整体性,采用大块混凝土板现场浇筑,当坡面及渠底宽度较大时,应在坡面下部及渠底中部设沉降缝。

2.4.2采用抗冻胀弧形坡脚结构形式,小型渠道可采用U型渠。试验证明,弧形坡脚断面与梯形断面及其它断面形式相比,弧形断面冻胀量分布比梯形断面更加均匀合理。同时弧形渠还能起拱的作用,可以承受一定的地基冻胀力,能在一定程度上约束地基的冻胀变形。统计分析结果表明,当冻深达最大值时,与梯形断面相比,弧形断面平均削减地基冻胀量可达20～25%。因此,弧形断面结构能适应较大的变位和承受较大的冻胀力。

2.5改善渠道运行方式,加强田间灌溉管理。合理安排,适当提前冬灌时间。冬季停水的时间应使负温到来之前土壤有一定的排水时间。对土质粘性差,排水性能差的渠道,提前的天数更应增加。春季开灌时间,则不能早于气温稳定通过零度日,如灌溉许可,最好在冻胀变形回复、裂缝基本闭合后过水。同时,应加强田间灌溉水的调度管理,避免超灌,控制入冬前灌区地下水的上升。春灌以前对渠道裂缝及时修补。

3结语

3.1混凝土双防渠道的防冻应着力于改善基土的水分状况。

3.2渠道混凝土衬砌板下加铺苯板塑膜的复合型结构是防渗防冻的好形式。

3.3双防渠道横断面采用反弧平面结构是适应地基冻胀的一种护面好形式。