□劉文輝

（烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院（有限責(zé)任公司）阿克蘇分公司）

灌區(qū)續(xù)建與節(jié)水工程抗凍脹設(shè)計(jì)探討

□劉文輝

（烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院（有限責(zé)任公司）阿克蘇分公司）

凍脹破壞是制約和影響灌區(qū)續(xù)建與節(jié)水工程質(zhì)量及效益的重要因素之一，新疆地區(qū)干旱缺水、季節(jié)溫差與晝夜溫差較大，渠道凍脹破壞現(xiàn)象更加突出，文章從木扎提河灌區(qū)續(xù)建與節(jié)水工程設(shè)計(jì)凍深的確定、基土凍脹量的計(jì)算以及抗凍脹措施與抗凍脹材料的比選等角度詳細(xì)研究了該工程抗凍脹設(shè)計(jì)的流程與關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以期對(duì)類似工程提供指導(dǎo)借鑒。

灌區(qū)續(xù)建；節(jié)水工程；抗凍脹；設(shè)計(jì)凍深

1 工程概況

木扎提河灌區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)，地理位置東經(jīng)80°37′～81°45′，北緯41°30′～42°51′，灌區(qū)呈條帶狀分布于木扎提河南北兩岸，是拜城縣最大的灌區(qū)，灌區(qū)南北寬25 km，東西長(zhǎng)70 km，總土地面積77333hm2。木扎提河灌區(qū)是拜城縣一個(gè)古老的灌區(qū)，灌區(qū)水資源豐富，適宜種植糧食、油料等作物，新中國(guó)成立以前，灌區(qū)就已初具規(guī)模，至20世紀(jì)80年代末，灌區(qū)人民在黨和政府的領(lǐng)導(dǎo)下，進(jìn)行大規(guī)模土地開(kāi)發(fā)建設(shè)，灌區(qū)灌溉面積迅速擴(kuò)大到約13333hm2。由于當(dāng)時(shí)受財(cái)力的限制，灌區(qū)水利設(shè)施極為簡(jiǎn)陋，灌區(qū)作物產(chǎn)量較低，到90年代初期，隨著國(guó)家水土開(kāi)發(fā)政策的實(shí)施，灌區(qū)灌溉面積的發(fā)展明顯加快，截止到目前灌區(qū)灌溉面積已發(fā)展到25333hm2，灌區(qū)灌溉骨架和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成，并且成立了管理機(jī)構(gòu)。灌區(qū)引水渠首目前運(yùn)行狀況良好，隨著大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目的逐年實(shí)施，灌區(qū)內(nèi)部已實(shí)施項(xiàng)目運(yùn)行情況良好，但仍有部分渠道工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，尤其是干渠以下灌溉渠道防滲率低，水量滲漏嚴(yán)重，沖刷嚴(yán)重，渠系建筑物年久失修，多數(shù)存在不同程度的破壞，供水能力大幅度降低，因而對(duì)其進(jìn)行防滲改造是十分必要的。

2 工程抗凍脹設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)凍深計(jì)算

式中：Zd——設(shè)計(jì)凍深（m）；ψd——考慮日照及遮蔭程度的修正系數(shù)；ψw——地下水影響系數(shù)；Zm——?dú)v年最大平均凍深，取Zm=89 cm；ψi——典型斷面（渠道走向NS，底寬與深度之比B/H=2，坡比m=1）某部位的日照及遮蔭程度修正系數(shù)，項(xiàng)目區(qū)陰、陽(yáng)面中部的ψi=1.15，底面中部的ψi=1.15；a——系數(shù)，與工程所在氣候區(qū)、計(jì)算斷面的軸線走向、斷面形狀及計(jì)算點(diǎn)位置有關(guān)。在坡比m=1.50，底寬與深度之比B/H=1～2時(shí)，NS走向的a值為：陰面、陽(yáng)面0.38～0.44，底面0.32～0.51；EW走向的a值為陰面0.99～0.97，陽(yáng)面4.41～4.58，底面0.70～0.73；NE45°走向的a值為陰面0.49，陽(yáng)面1.79～1.94，底面0.38～0.59；ZW0——鄰近氣候臺(tái)（站）的凍前地下水水位深度（m），當(dāng)黏土、粉土ZW0＞3 m、細(xì)粒土質(zhì)砂ZW0＞2.50 m、含細(xì)粒土砂ZW0＞2 m時(shí)，可取黏土、粉土ZW0=3 m，細(xì)粒土質(zhì)砂ZW0=2.50 m，含細(xì)粒土砂ZW0=2 m；本項(xiàng)目區(qū)取2 m；ZWi——計(jì)算點(diǎn)的凍前地下水水位深度（m），可取計(jì)算點(diǎn)地面（開(kāi)挖面）至當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)前地下水水位的距離；根據(jù)本區(qū)凍結(jié)情況進(jìn)行取值；β——系數(shù)，因渠床土質(zhì)均以地液限粉土為主，故取β＝0.63。

根據(jù)上述計(jì)算公式，結(jié)合渠道走向及計(jì)算點(diǎn)不同的地下水位，算出不同部位的設(shè)計(jì)凍深，然后畫出地下水位與設(shè)計(jì)凍深關(guān)系曲線，各渠道可根據(jù)地下水位的不同數(shù)值由此曲線上查出各段設(shè)計(jì)凍深值。

根據(jù)上述計(jì)算公式，計(jì)算渠道不同走向的設(shè)計(jì)凍深為：

EW方向陽(yáng)面渠道：Zd=0.38 m；陰面邊坡：Zd=0.74 m；渠底部邊坡：Zd=0.91 m。

NS走向渠道邊坡：Zd=0.86 m；渠底部：Zd=0.86 m。

表1 ψd值計(jì)算表

表2 ψw值計(jì)算表

NE45°方向陽(yáng)面渠道：Zd=0.59 m；陰面邊坡：Zd=0.69 m；渠底部邊坡：Zd=0.86 m。

2.2 計(jì)算并分析基土的凍脹量

按照下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：hf為基土的基本凍脹量（mm）；h為工程地質(zhì)條件下（即天然凍土層）的實(shí)際凍脹量（mm）；Zf為基土以下凍深設(shè)計(jì)值（m）；Zd為標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)凍深（m）；δc為基土層的厚度（m）；δw為冰層在基土以上的厚度（m）。

當(dāng)邊坡系數(shù)m=1.50，EW方向時(shí)，所求得的凍脹量hf=8 mm，NS方向時(shí)，所求得的凍脹量hf=36 mm。結(jié)合并對(duì)照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以看出，工程凍脹量計(jì)算值所對(duì)應(yīng)的凍脹等級(jí)是Ⅰ、Ⅱ級(jí)，與規(guī)范所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件等級(jí)相比，本工程凍脹等級(jí)大大超出了允許值，所以，必須采取恰當(dāng)措施進(jìn)行抗凍脹處理。

3 抗凍脹處理與抗凍脹材料的比選

3.1 抗凍脹措施

目前本地區(qū)常用的抗凍脹措施有兩種，一種為置換法，即采用砂礫石或風(fēng)積沙換填防凍脹；另一種為保溫法，即采用聚苯乙烯泡沫塑料板進(jìn)行保溫［2］，兩種方法分述如下。

3.1.1 置換法

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)采用置換措施防止凍脹破壞時(shí)，渠床各部位換填深度（即抗凍層厚度）Zn可按下式計(jì)算：

式中：ε——換填比（%），坡面頂部ε=60%、坡面底部和渠底ε=80%；δ0——襯砌板厚度（m）；Zd——換填部位的設(shè)計(jì)凍深（m）。

經(jīng)計(jì)算，各渠道砂礫石防凍體置換厚度如表3。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)已建工程防凍體厚度，再結(jié)合本次工程防凍體計(jì)算結(jié)果，確定本次工程砂礫石防凍體厚度如下：渠底0.50 m厚，陽(yáng)坡0.40 m厚，陰坡0.40～0.50 m厚。

3.1.2 保溫法

表3 項(xiàng)目區(qū)渠道砂礫石防凍體厚度計(jì)算表單位：cm

根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，在防滲結(jié)構(gòu)下設(shè)保溫層，大型渠道的保溫層厚度，通過(guò)熱工計(jì)算確定；中型、小型渠道，采用聚苯乙烯泡沫塑料板保溫時(shí)，其厚度可取設(shè)計(jì)凍深的1/10～1/15。經(jīng)計(jì)算，各渠道苯板厚度如表4。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)已建工程苯板厚度，再結(jié)合本次工程計(jì)算結(jié)果，確定本次工程苯板厚度如下：渠底5 cm厚，邊坡5 cm厚。

3.2 抗凍脹材料的比選

項(xiàng)目區(qū)地處拜城縣木扎提河灌區(qū)，渠線所在位置地層巖性以凍脹土為主，若采用砂礫石作為置換層進(jìn)行防凍處理，則砂礫石需自木扎提河沿線砂料場(chǎng)拉運(yùn)，比較過(guò)程及結(jié)果如下：與苯板保溫的處理措施相比，采取利用砂礫石進(jìn)行換填的處理方案，所需完成的工程量約為2318.51 m3，進(jìn)行施工時(shí)，環(huán)節(jié)復(fù)雜，會(huì)大大拖慢施工進(jìn)度，但是具有較好的抗凍脹效果，投資經(jīng)濟(jì)，故選擇這一方案進(jìn)行抗凍脹處理。

表4 項(xiàng)目區(qū)渠道保溫苯板厚度計(jì)算表單位：cm

4 結(jié)論

凍脹是造成灌區(qū)續(xù)建與節(jié)水工程混凝土板護(hù)坡破壞的常見(jiàn)原因之一，也是襯砌渠道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性技術(shù)與因素，文章對(duì)木扎提河灌區(qū)續(xù)建與節(jié)水工程抗凍脹設(shè)計(jì)及所采用的換填及保溫措施進(jìn)行了探討，采用風(fēng)積沙作為換填材料，根據(jù)工程實(shí)際情況，渠線附近的風(fēng)積沙與砂礫石便可滿足工程抗凍材料需求，防凍脹措施采用砂礫石換填防凍脹。

［1］秦江，渭干河灌區(qū)改建工程砼板抗凍脹設(shè)計(jì)［J］，水利科技與經(jīng)濟(jì)，2016（5）：36-38.

［2］李朝輝，混凝土板渠道防滲工程中抗凍脹技術(shù)措施調(diào)查與分析［J］，建筑科技與管理學(xué)術(shù)交流會(huì)，2012（1）：37-38.

S277

B

1673-8853（2017）11-0063-02

劉文輝（1980-），男，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

2017-8-25

編輯：劉長(zhǎng)垠 韋詩(shī)佳