保國平

摘 要：針對嚴寒地區(qū)均質(zhì)土壩護坡混凝土凍脹破壞問題，本文通過對莫索灣水庫大壩混凝土護坡抗凍脹設計及運行效果的總結，闡述了風積砂作為換填墊層材料，在護坡混凝土抗凍脹處理中的應用效果。

關鍵詞：混凝土護坡 抗凍脹 墊層 風積砂

1.工程概況

莫索灣水庫是一座位于瑪納斯河流域的注入式平原水庫，水庫位于石河子市東北約60km，農(nóng)八師148團東南莫索灣總干渠達字路口閘附近。莫索灣水庫除險加固后總庫容345萬m3，年調(diào)節(jié)水量約500萬m3，水庫工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等。水庫主要任務是配合上游夾河子水庫、躍進水庫通過莫索灣總干渠向莫索灣灌區(qū)約80萬畝灌溉面積提供補充水源。水庫大壩壩型為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂高程368.5m，最大壩高4.23m，大壩總長2.74km，壩頂寬度3.0m，上、下游壩坡均1：2。

庫區(qū)屬于典型的大陸性氣候，四季氣溫懸殊，夏季炎熱，冬季嚴寒，晝夜溫差大。多年平均氣溫6.1℃，極端最高氣溫43.1℃，極端最低氣溫-42.8℃。最大凍土深度160cm，多年平均最大凍深134cm。

2.工程地質(zhì)狀況

工程區(qū)處于瑪納斯河沖洪積平原中下游區(qū)，地層巖性以第四紀晚更新世—全新世沖洪積堆積的含砂低液限粉土、粉土質(zhì)砂為主，局部夾有低液限粘土透鏡體。水庫現(xiàn)狀壩體巖性主要為低液限粉土，局部由粉土質(zhì)砂組成。壩體低液限粉土含水率19%，孔隙比0.873，塑性指數(shù)8.9，滲透系數(shù)2.5×10-5cm/s，粘粒含量14.9%；粉土質(zhì)砂天然密度1.9g/cm3，干密度1.62g/cm3，含水率17.5%，孔隙比0.664，塑性指數(shù)9.2，滲透系數(shù)1.2×10-4cm/s，粘粒含量11.2%。

壩基土為第四系上更新統(tǒng)一全新統(tǒng)沖洪積含砂低液限粉土和粉土質(zhì)砂，壩基含礫低液限粉土天然密度2.06g/cm3，干密度1.76g/cm3，含水率17.2%，孔隙比0.53，塑性指數(shù)9.0，滲透系數(shù)5.4×10-5cm/s，粘粒含量9.8%；壩基粉土質(zhì)砂天然密度1.98g/cm3，干密度1.69g/cm3，含水率17.5%，孔隙比0.69，塑性指數(shù)9.6，滲透系數(shù)8.9×10-5cm/s，粘粒含量14.6%。

根據(jù)壩體加固設計，壩體加固在現(xiàn)狀壩頂上加高約1.5m。壩體的加固方案為基本保留原壩體，在壩前坡采用土方加高培厚壩體的措施，上游壩坡采用15cm厚C25現(xiàn)澆混凝土防護。加固壩體填筑土料巖性為粉土質(zhì)砂，根據(jù)試驗成果，土料重塑后最大干密度1.62g/cm3，最優(yōu)含水率13.9%，塑限19.2%，滲透系數(shù)4.7×10-6cm/s，粘粒含量8.4%。

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范》（SL211—2006）的規(guī)定，土中的粒徑小于0.075mm的土粒含量按重量比大于總土重的10%，應判為凍脹性土，否則為不凍脹土。根據(jù)土工試驗成果，場地土中粒徑小于0.075mm的土粒含量按重量比大于總土重的10%，可判為凍脹性土。因此，壩體土凍脹作為混凝土護坡破壞的原因之一，必須采取抗凍脹措施。

3.墊層材料的選擇

地基土產(chǎn)生凍脹的主要因素有三個：土質(zhì)、環(huán)境溫度、土體持水量。地基土細顆粒含量越高凍脹性越強；環(huán)境溫度越低凍脹越厲害；地基土持水量越高凍脹性越強，地基土細顆粒含量越高持水量越大。在環(huán)境溫度無法改變的情況下，解決壩體混凝土護坡板下地基土凍脹破壞的出發(fā)點主要從加強保溫和降低土體含水量考慮。根據(jù)新疆平原水庫及渠道抗凍脹經(jīng)驗，水利工程應用較多的措施為換填法和保溫法，尤其以換填法較為普遍。換填法主要是對護坡接觸土體結構進行改變，選用粗顆粒土體置換凍脹性地基土，一方面利用粗顆粒土體持水量小，削弱環(huán)境水的凍脹影響，另一方面利用換填土的大孔隙率降低土體凍脹對混凝土護坡產(chǎn)生的凍脹力，減小甚至消除凍脹破壞。

目前，應用比較廣泛的抗凍脹墊層料有砂礫石、風積砂、河砂等，新疆大部分地區(qū)抗凍脹墊層料采用砂礫石。北疆地區(qū)莫索灣、下野地等灌區(qū)地處準葛爾盆地南緣，距砂石料場較遠，但風積砂分布較廣，遍地皆有，在這些地區(qū)防凍害渠道取用風積砂料代替砂礫石料墊層，是缺乏砂礫石料地區(qū)廣泛采用的行之有效的防凍脹措施之一。風積砂的特點：顆粒均勻、粉粘粒含量極少，滲透性能好。莫索灣水庫地處準葛爾盆地南緣，當?shù)仫L積砂料比較豐富，砂礫石料較缺乏，因此，大壩護坡板下?lián)Q填墊層料選用當?shù)夭牧巷L積砂。

4.墊層厚度確定

工程所在地最大凍深為1.6m，地下水埋深平均值為2.5m，根據(jù)規(guī)范，設計凍深按下式計算：

Zd=ψd·ψw·Zm

式中：Zd——設計凍深，m；

ψd——日照及遮蔭程度影響系數(shù)，可利用公式ψd=a+（1-a）ψi進行計算，其中ψi為典型斷面某部位i的日照及遮蔭程度修正系數(shù)，陰（或陽）面中部的ψi值的地理位置可由圖B.1.1-2查得，為1.075；系數(shù)a，可根據(jù)建筑物所在氣候區(qū)（由圖B.1.1-3查得）、建筑物計算斷面的軸線走向、斷面形狀及計算點位置由表B1.1-1查得，取0.76；

ψw——地下水修正系數(shù)，

Zm——歷年實測最大凍深，1.6m；

β——系數(shù)，0.63～0.79；

Zw0——鄰近氣象臺的地下水位深度，取Zw0=2.5m；

Zwi——計算點的地下水位深度，取0.75m；

經(jīng)計算，水庫庫區(qū)的設計凍深為1.37m。

根據(jù)規(guī)范中6.3.2條，防凍墊層最小應大于0.8倍設計凍深，護坡設計的防凍層厚度計算為0.8×1.37=1.1m，混凝土板厚度0.12m，風積砂墊層厚度為1.1-0.12=0.98m，通過以上方法計算可知，換填厚度較大。通過對北疆平原水庫護坡的調(diào)查可知，護坡下防凍墊層的置換厚度在50cm左右，工程經(jīng)過多年的運行，情況良好。

另外，根據(jù)文獻，墊層厚度普遍采用下式確定：

式中：d——換填厚度；

H——凍結深度；

根據(jù)奎屯、石河子渠段實測情況，其換填厚度一般可取大于30cm，以30～40cm為宜。

綜合考慮，莫索灣水庫大壩護坡抗凍脹風積砂墊層厚度取50cm。工程經(jīng)過幾年運行，大壩護坡未發(fā)生凍脹破壞，說明風積砂作為抗凍脹墊層材料效果良好。

5.結論

嚴寒地區(qū)均質(zhì)土壩、渠道護坡混凝土破壞的主要原因之一是地基土凍脹破壞，也是混凝土護坡設計中必須重視的問題。換填法是解決嚴寒地區(qū)混凝土護坡凍脹破壞行之有效的方法，抗凍脹墊層材料及換填厚度的確定，需因地制宜、認真對待。本文通過對莫索灣水庫大壩混凝土護坡的抗凍脹設計及運行效果的總結，認為風積砂作為抗凍脹墊層材料取得了較好的效果。

參考文獻：

[1]朱達夫，林素馨.混凝土襯砌渠道用風積砂作防凍脹墊層的探討.冰川凍土，1986.8（3）：239-244.

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[3]中華人民共和國水利部.中華人民共和國行業(yè)標準.碾壓土石壩設計規(guī)范（SL274-2001），中國水利水電出版社，2002.

[4]中華人民共和國水利部.中華人民共和國行業(yè)標準.水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范（SL211-2006），中國水利水電出版社，2006.endprint