新疆柳溝灌區(qū)南干渠抗凍脹計算及防凍脹材料的選擇

王勇 王麗

（新疆奎屯農(nóng)七師勘測設(shè)計研究院（有限公司）新疆奎屯 833200）

新疆柳溝灌區(qū)南干渠，位于新疆奎屯的南部地區(qū)，現(xiàn)控制著柳溝灌區(qū)灌溉面積6 333 hm2，是柳溝灌區(qū)一條重要的引水干渠。

根據(jù)柳溝灌區(qū)氣象站10年凍深資料,該區(qū)最大凍土深度介于120～140 cm之間,根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》第10.1條、10.2條規(guī)定：在季節(jié)凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深大于30 cm地區(qū)的襯砌渠道和標(biāo)準(zhǔn)凍深大于50 cm地區(qū)的渠系及其建筑物，必須按規(guī)范要求進(jìn)行抗凍脹設(shè)計。

從柳溝灌區(qū)最大凍土深度可以看出，南干渠需要進(jìn)行抗凍脹計算，同時采取必要的抗凍脹措施。

工程地點標(biāo)準(zhǔn)凍深,是指工程地點鄰近氣象臺（站）的多年凍深平均值,根據(jù)柳溝灌區(qū)氣象站資料,該區(qū)滿足最大凍深的10年系列資料,選擇柳溝灌區(qū)的資料比較安全,季節(jié)最大凍深140 cm，具有代表性。

1 工程地點的基本資料

2 抗凍脹計算

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料，本地區(qū)最大凍深為1.4 m，由地質(zhì)及測量資料，渠線地層巖性以粉土為主，局部地段夾薄層粉砂、黏土透鏡體，為凍脹性土。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL18-2004）和《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL211-2006）的規(guī)定，渠道防滲工程環(huán)境同時具備：①土中粒徑小于0.05 mm的土粒含量按重量比大于總土重的6%；②標(biāo)準(zhǔn)凍深大于0.1 m；③凍結(jié)初期土的含水量大于0.9倍塑限含水量，或地下水位至渠底的埋深小于土的毛管上升高度加設(shè)計凍深這三個條件時，應(yīng)進(jìn)行抗凍脹設(shè)計。

根據(jù)取樣分析，柳溝灌區(qū)南干渠工程環(huán)境同時具備上述三個條件，需要進(jìn)行抗凍脹設(shè)計。同時據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL211-2006）以及本工程的具體情況，結(jié)合以上因素，計算渠基土的凍脹量。

2.1 凍脹量的計算

（1）工程設(shè)計凍深按下式計算：

式中：Zd—設(shè)計凍深，m；

Ψd—日照及遮蔭程度影響系數(shù)；

Ψw—地下水影響系數(shù)；

Zm—實測歷年最大凍深，取1.4 m；

其中：Ψd＝a+（1-a）Ψi

Ψi—日照及遮蔭程度修正系數(shù)，由圖查得，邊坡值取1.1，底部取1.1；

a—由表B1.1.1-1查得：

β—系數(shù)，查表為0.63；

Zwo—當(dāng)?shù)鼗蚺R近氣象臺的地下水位深度，m；

Zwi—計算點的地下水位深度，m。

根據(jù)計算，渠道的設(shè)計凍深見下表1。

表1 設(shè)計凍深計算表

（2）地表凍脹量

地表凍脹量可依據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》查圖C.0.2-2,凍前地下水位Zw=1.15 m，設(shè)計凍深1.0 m，則工程區(qū)地表凍脹量為6.7 cm。

根據(jù)凍脹量查表3.0.8《土的凍脹性級別》，地表凍脹量5＜h≤12 cm，工程區(qū)地表土的凍脹級別為Ⅲ級。

（3）地基土設(shè)計凍深

式中：Zf—地基土設(shè)計凍深，m；

δw—凍前底板上面的水深，m；

δc—底板厚度，m；取 0.06 m；

經(jīng)計算，地基土設(shè)計凍深0.95 m。

（4）地基土凍脹量的計算

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》，按下式計算：

hf——基土凍脹量，mm；

h——地表凍脹量；

經(jīng)計算，地基土凍脹量6.6 cm。

2.2 抗凍脹穩(wěn)定性判斷

渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹位移值可按渠道基土的凍脹量確定，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL23-2006）表4.2.2規(guī)定，混凝土襯砌防滲的弧形底梯形渠道允許的位移值為0.5～1 cm；

渠道沿線基土凍脹量為6.6 cm，大于規(guī)范規(guī)定的允許凍脹量，所以必須采取防凍脹措施。

2.3 采取的抗凍脹措施

目前國內(nèi)一般采用從適應(yīng)凍脹、回避凍脹、削減凍脹等三個方面來解決,其具體措施有結(jié)構(gòu)措施、置換措施、排水措施、保溫措施、隔水措施、壓實措施等。柳溝灌區(qū)南干渠經(jīng)計算其凍脹位移值大于7倍允許凍脹位移值（≤1cm）,且渠床屬Ⅲ類凍脹類別,主要采取以下的抗凍脹措施：

①梯形斷面、弧形坡腳,現(xiàn)澆砼與預(yù)制砼板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)措施；

②沿渠道水流方向每隔6 m設(shè)凍脹變形縫,縫內(nèi)填充適應(yīng)當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁貢r柔性較好的防水材料，如聚氨脂和瀝青水泥砂漿的結(jié)構(gòu)措施；

③在地下水高于渠底段（4+950-10+933.5）,采用降低排渠（與防滲渠平行）底高程或者新挖排渠的辦法，并保證新挖排渠底低于防滲渠底0.6～1 m，通過降低渠床土的含水量來達(dá)到削減凍脹的目的，這樣就可以在渠道行水期將渠側(cè)傍滲水排入排渠內(nèi),以避免傍滲水浸濕渠床的排水措施。

④采用渠基換填措施或保溫措施，保證邊坡砌板在冬季輸水階段不產(chǎn)生正、負(fù)兩個溫度區(qū)，不發(fā)生凍結(jié)和變形或變形很小的置換措施。

3 換填層計算

根椐規(guī)范要求，在這種寒冷地區(qū)防凍脹結(jié)構(gòu)措施可采用渠基換填措施或保溫措施。在本地區(qū)，渠道抗凍脹措施一般采用較多的是渠基換填的方法，經(jīng)過在本地區(qū)和周邊地區(qū)的多年運行，實踐證明可以有效地防止渠道凍脹破壞，是一種較好的防凍脹措施。

防凍脹換填層厚度計算：

根據(jù)《水工建筑物抗凍設(shè)計規(guī)范》SL211-2006計算換填層厚度，采用下面公式：

式中：ε—置換比%。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》SL18-2004，當(dāng)?shù)叵滤裆頩w＜Zd+1.5～2.5m時，對于粉土，坡面上部取50%～60%，坡面下部、底部取60%～80%；

Zd—設(shè)計凍深；

δ0—防滲層厚度，邊坡防滲層厚度0.06m，底板0.06m；

其計算結(jié)果見表2：

表2 換填厚度計算結(jié)果表

4 防凍脹換填材料的選擇

防凍脹換填就是用砂礫、戈壁石等非凍脹性土料把邊坡板下的凍脹性土料換掉，而鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料保溫板是通過保溫層絕熱作用使砌板下的土體不會發(fā)生凍結(jié)，從而起到防凍脹的作用，有時這兩種防凍脹措施還同時采用，要看當(dāng)?shù)氐木唧w情況而定。

1）砂礫石料換填

農(nóng)七師柳溝水庫南側(cè)公安農(nóng)場的砂礫石料粒徑小于0.05 mm的土粒含量小于總重的6%，料場儲量及各項指標(biāo)均能滿足工程需要，平均運距33 km。根據(jù)防凍脹換填厚度計算結(jié)果，礫石料換填厚度?。呵?.5 m；邊坡陰面0.2～0.5 m；陽面 0.2～0.5 m。

2）聚苯乙烯泡沫塑料保溫板保溫

根據(jù)規(guī)范，在保溫板強度、壓縮系數(shù)、吸水率、耐久性等方面滿足工程設(shè)計要求的前提下，對于中小型渠道，其厚度可取設(shè)計凍深的1/10～1/15。

根據(jù)設(shè)計凍深計算結(jié)果，保溫板鋪設(shè)厚度取值為：渠底10 cm；邊坡陰面5 cm；陽面5 cm。

3）礫石料+聚苯乙烯泡沫塑料保溫板保溫

渠道防凍脹換填也可采用礫石料+聚苯乙烯泡沫塑料保溫板保溫的形式，根據(jù)防凍脹換填厚度計算結(jié)果，采?。呵?0 cm礫石墊層+2 cm保溫板；邊坡陰面30～10 cm礫石墊層+2 cm保溫板；陽面30～10 cm礫石墊層+2 cm保溫板。

三種防凍脹換填形式單位造價比較見表3：

表3 防凍脹材料單位造價比較表

經(jīng)過比較并結(jié)合實際情況，柳溝灌區(qū)南干渠防滲改建工程防凍脹換填材料采用砂礫石換填經(jīng)濟(jì)可行。

5 運行情況

通過計算比選，柳溝灌區(qū)南干渠防凍脹換填材料采用當(dāng)?shù)氐纳暗[石，渠道自2006年建成以來，運行良好，沒有發(fā)生凍脹破壞，說明防凍脹材料的選擇比較合理。