第二期：大型灌区渠道防渗防冻胀技术应用（二）
十、 陕西东雷抽黄灌区渠道防渗防冻胀技术应用
（一）灌区情况
东雷抽黄灌区是陕西省利用黄河水源修建的多级高扬程大型电力提灌工程，总设计灌溉面积102万亩，有效面积83.7万亩，渠首设计饮水流量40立方米每秒，属大型灌区。工程于1975年8月动工兴建，1979年~1982年相继投入运行。共设东雷、新民、南乌牛、加西四个提水灌溉系统和新民、朝邑两个滩地灌排系统。灌区建成总干渠1条，干渠8条，退水渠2条，支渠73条，总长506.206km；修建各类渠道建筑物1670座，建成各级抽水站28座，总装机功率11.627万kw。
灌区建成至今，累计渠首饮水量57.96亿立方米，斗口用水28.98亿立方米，灌溉农田3623万亩次，从而显著改善了灌区农业生产条件，加快了产业结构调整，对灌区农业生产、农民增收和区域经济条件发展做出了巨大贡献。
（二）灌区自然、水文、地质及地基土冻胀量、冻胀级别情况
东雷抽黄灌区位于陕西省关中东部，在东经109度53分~110度22分、北纬34度43分~35度14分之间，东起黄河漫滩，西抵坞坭塬边，北临徐水沟畔，南接洛惠灌区。灌区东西宽约39km，南北长约57km，总面积974平方千米。地势西北高东南低，海拔高程在635m与349m之间，地貌类型主要属渭北黄土塬区。
本区属于干旱半干旱季风气候，年积温3894.2摄氏度，平均气温13.1摄氏度，历年最高气温42摄氏度，最低气温-26摄氏度。年内以七月份温度最高，多年平均为26.9摄氏度，一月份气温最低，多年平均为-0.6摄氏度。由于受大气环流、纬度和地形的影响，该地区长期干旱少雨，素有"十年九旱"之说。蒸发量因受大陆性气候影响显著而大于降雨量，其多年平均为1500mm，降雨量多年平均仅542mm。
灌区位于祁吕山字型构造体系东部边缘，自第三纪末期喜马拉雅造山运动，地壳沉降，接受了广泛的第四纪沉积物，厚度达300余米。后期地壳连续升降，振荡性运动，形成现今河流阶地。据地质资料分析，灌区表层土壤属上更新统风积层黄土，颗粒以粉土为主，呈浅黄褐色至灰黄色，自然干容重1.52克每立方厘米，孔隙比0.79，孔隙率43.8％，在2千克每平方厘米压力下相对下沉系数为0.089，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25-90）规定，湿陷系数大于0.02，自重湿陷量大于15cm，属自重湿陷性黄土。
灌区塬下工程位于黄河一级阶地，土质为细粒土质砂土，部分地方地下水埋深0.5~1.0m，其余现多为明水；塬上地下水埋深一般在100m以下。根据多年对冻土深探查并根据"中国北方季节冻土区标准冻深线"查知，灌区冻土深度0.5~0.6m；根据塬上、塬下土质和地下水位情况及"渠系工程搞冻胀设计规范"（S升23-2006）3.2.2-2、3图"粉土冻深与冻胀量关系内曲线"、"细粒土质砂、含细粒土砂冻深与冻胀量关系内曲线"知，塬下基土冻胀量h=6.5cm，塬上基土冻胀量h=2cm。根据灌区土冻胀量和规范3.3.2表查知，塬下地基土冻胀级别为Ⅲ级，塬上地基土冻胀级别为Ⅱ级。
（三）原渠系工程衬砌及防冻抗渗情况
灌区工程修建于上世纪七十年代，是一项边勘测、边设计、边施工的"三边"工程，建设标准低，施工质量较差。不过鉴于东雷抽黄灌区处于湿陷性黄土塬区，加之提水灌溉成本较大，为有效提高渠系水利用系数，所以初始设计时，对干、支渠大部分进行了砼衬砌，以提高抗冻防渗。灌区干、支渠多为梯形断面，边坡系数1.0~1.25，采用100号砼预制板衬砌，厚80~60mm，板缝均为梯形缝，采用1:3水泥砂浆勾缝；斗渠多为100号砼现浇，厚50mm。渠道冻胀变形缝为1:1:4沥青砂浆板条。
灌区渠道工程衬砌分现浇和预制板衬砌两种形式，经三十年运行，工程设施老化失修、冻胀破坏水严重，特别是渠道衬砌老化、空鼓、破损、脱落，渠道渗漏、湿陷、淤积严重，输水能力严重下降。
灌区多年末对渠道衬砌进行专业的冻胀量、渗漏量检测，但经多年观察和灌溉量测水，总结发现冻胀破坏和渗漏有以下几种不同现象：
1、渠道现浇衬砌时，冻胀破坏有以下几种情况：（1）高填方渠段渠基填土压实开挖成型后，采用150号砼现浇衬砌，现浇板规格为2.0m×2.0m，厚10cm，板缝夹沥青油选毡二层，缝底填沥青油选毡一层宽20cm，且每4m设一道冻胀变形缝，变形缝采用平板止水橡胶；渠堤外侧排水较好，现使用23年之久，效果很好，基本没发生冻胀破坏；（2）塬上干、支渠在高填方渠段，采用100号砼现浇衬砌，现浇板规格为1.0m×1.0m，厚80mm，每4m设一道冻胀变形缝，变形缝内夹1:1:4沥青砂浆板条，多年运用后发现渗水冻胀严重；（3）塬下总干渠渠底板采用100号砼现浇衬砌，现浇板规格为4.0m×4.0m，厚100mm，冻胀变形缝采用1:1:4沥青砂浆板条填塞，多年运用后发现渗水冻胀特别严重；
2、渠道砼预制板衬砌时，经观察发现，衬砌冻胀破坏存在以下几种情况：①在填方渠段，排水设施较好且两侧不灌溉情况下，衬砌板老化破坏、空鼓、错位、勾缝脱落等冻胀破坏现象较轻；②在挖方段，两侧耕地冬灌后，渠堤土含水量增大，衬砌冻胀破坏严重；③干、支渠砼预制板衬砌厚度越大，冻胀破坏越轻，厚度越小，冻胀破坏越大；④现浇与预制板衬砌比较，现浇冻胀破坏较小；⑤渠道内边坡坡度系数越大，衬砌冻胀破坏越大；⑥渠道冬灌次数越多，衬砌冻胀破坏越大；⑦超衬砌水位运行次数越多，衬砌冻胀破坏越大。⑧地下水位越高。冻胀破坏特别严重；
3、塬上斗渠多为"U"形断面，100号砼现浇，有木模板组合施工和"U"形滑模衬砌机滑模施工两种方法，但脱模后，衬砌表面麻面，小量蜂窝等现象很难避免，容易受冻胀破坏；
4、灌区渠道防渗虽没有专测量，但经对渠道衬砌改造前后配水测量，干渠在改造前水利用系数平均在0.80，改造后达到0.88；支、斗渠改造前为0.82左右，改造后达到0.90，渠系水利用系数由原来的0.54提高到现在的0.71左右。
（四）近年渠系衬砌改造措施及防冻抗渗情况
根据灌区地基土湿陷性特点和冻胀级别、冻胀量以及各渠段的具体情况，在对渠道衬砌改造时，我们分别采取了以下几方面防冻抗渗措施，经多年观察，具有一定防冻抗渗效果。
1、根据渠道设计流量优化渠道断面形式。Q大于6立方米每秒时，选用弧角梯形断面；在3立方米每秒小于Q小于6立方米每秒时，断面选用弧底梯形；在Q小于3立方米每秒时，渠道断面选用弧底梯形或"U"形，改变了以前多数的梯形断面情况，从而提高衬砌抗冻胀破坏。
2、对渠道衬砌，提高砼标号为C15，并增加干、支、斗渠砌厚度，现浇厚度均为10cm，预制板厚均为8cm，同时采用土工布，形成板膜复合结构，增强防冻抗渗效果；对现浇衬砌，脱模后表面麻面或微量蜂窝现象，增加1:1水泥砂浆刮浆处理，有效减小渗漏，提高抗冻胀破坏。
3、对塬上渠道，砼预制板衬砌缝改原梯形缝为矩形缝，将塬下渠道砼预制板衬砌缝改梯形缝为铰形缝，以增加填缝材料的镶钳牵固程度，避免脱落渗漏冻胀。
4、冻胀变形缝改夹沥青塑料胶泥板条为热灌，即严格对冻胀变形缝清缝、干燥后，采用沥青塑料胶泥填缝或热灌，确保可靠粘接；衬砌板缝清缝后刷素水泥浆结合层，再用M10水泥砂浆塞实勾缝，提高防渗抗冻效果。
5、对"U"形渠道采用C15砼滑模现浇，增加衬砌厚度，改6cm厚为10cm，提高衬砌整体性能，同时适度扩大开口角度（18度~20度），采用板膜复合结构，脱模后再表面刮浆处理，防渗抗冻效果较好，且边坡稳定性好。
6、在干渠外侧，严格控制灌溉范围，避免因灌溉产生渠道湿陷沉降，减小渠基土含水率，增强渠道衬砌的防渗抗冻。
7、针对灌区泥沙淤积问题，改造中适当加高渠道衬砌高度，避免超衬砌水位运行，防止冻胀破坏，提高抗渗能力。
（五）今后渠系改造防冻抗渗的意见及建议
1、对大型渠道，应加大衬砌厚度至12cm，以较好抵抗地基土冻胀对衬砌产生的法向位移，保证衬砌稳定。
2、对"U"形渠道，尽可能增加开口角度，以便使用土工布或塑膜防渗，形成板模复合结构，提高抗冻防渗效果。
3、由于冻胀变形缝处理的好坏直接影响防冻效果，建议在经济条件允许的情况下，对大型渠道衬砌，冻胀变形缝改沥青塑料胶泥热灌为止水橡胶夹缝处理。因为沥青塑料胶泥热灌对衬砌材料干燥度要求较高，否则将造成渗漏冻胀。
4、建议在投资允许情况下，对湿陷性黄土区重点渠段工程，采用基土换土处理，以有效减少土体含水率和湿陷量，减少衬砌变形、裂缝和冻胀破坏。
5、建议渠道现浇衬砌时，普遍增加原浆收面或刮浆处理，减少衬砌表面孔隙率，提高抗冻胀防渗效果。
6、建议在湿陷性黄土灌区和利用泥沙水为水源的灌区，渠道衬砌高度应采用规范规定上限值，甚至再适当加高，避免水位超衬砌运行而引发冻胀破坏和渗漏。