新疆灌區(qū)渠系建筑的防凍設(shè)計(jì)分析

杜秀

(新疆烏蘇市水利局，新疆烏蘇833000)

近年來，新疆灌區(qū)水利工程的建設(shè)和改造日益增加，尤其塔城地區(qū)是我國新疆的農(nóng)牧業(yè)大區(qū)。隨著塔城地區(qū)農(nóng)田水利工程大規(guī)模建設(shè)和改造規(guī)劃的不斷展開，玉東果勒灌區(qū)的水利工程也列入其中。玉東果勒河流域位于烏蘇市古爾圖鎮(zhèn)，發(fā)源于天山山脈中段的高山冰川，東鄰古爾圖河，西與莫托河相鄰。灌區(qū)對(duì)于農(nóng)田水利工程的改造任務(wù)涉及到了渠道的改建、渠系建設(shè)物的建設(shè)工程等眾多項(xiàng)目，其中在灌區(qū)渠系建筑物的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該充分考慮到新疆的地域、氣候特點(diǎn)，對(duì)建筑物的防凍設(shè)計(jì)進(jìn)行具體考慮。

1 灌區(qū)基本情況及氣候條件

玉東果勒河灌區(qū)位于天山北坡，準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，海拔高度484～435 m。經(jīng)研究和規(guī)劃確定玉東果勒灌區(qū)規(guī)模為小(1)型。需要重建渠首1座、新建干渠3.478 km、改建支渠37.5 km、配套渠系建筑物35座，工程總投資1742萬元。

灌區(qū)所在牧場為古爾圖鎮(zhèn)牧場，牧場主要居民為哈薩克族，畜牧業(yè)過度依賴天然草場帶，造成天然草場產(chǎn)草量逐年下降，冬牧場超載，草場面臨著嚴(yán)重的退化和沙化問題。玉東果勒河灌區(qū)屬于溫帶干旱氣候帶，春季升溫較快，且冷暖波動(dòng)較大，秋季氣溫下降較為迅速，冬季負(fù)溫時(shí)間較長最低氣溫可達(dá)－40℃。

2 新疆渠系建筑物凍害分析

新疆灌區(qū)水利工程受地區(qū)氣候條件的影響，灌區(qū)水利工程經(jīng)常受到凍害破壞。就玉東果勒灌區(qū)來說，由于氣溫變化幅度較大，水利建筑物的凍害問題不可避免。所以在灌區(qū)水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)該考慮到這一實(shí)際問題，針對(duì)灌區(qū)的特點(diǎn)，對(duì)凍害成因進(jìn)行深入的分析，以便采取合理的設(shè)計(jì)預(yù)防方案。

2.1 灌區(qū)渠系建筑物的凍害問題分析

由于季節(jié)凍土在新疆分布較廣，尤其是玉東果勒河流域，凍土分布更為明顯。在土壤的凍結(jié)過程中，土體中的水分會(huì)產(chǎn)生不均勻的融沉問題，在此類地基中修筑建筑物，很容易受到地基變形的影響，造成建筑物不同程度的損壞，甚至毀壞不能使用，尤其是對(duì)于渠系建筑來說，這種問題更加突出。通常渠系建筑均修筑在灌排水的渠道上，地下的水位較高，且灌區(qū)面積較小，渠系及其建筑的過流量也較小。經(jīng)過對(duì)新疆水工建筑的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，全區(qū)有超過70%的水工建筑物受到了不同程度的凍害破壞，存在年年維修年年有損壞的問題，在新建工程中，為了避免凍害破壞，通常采取加深基礎(chǔ)的方法，使建筑物的地基深入到凍深以下，這樣雖然起到了一定的效果，但工程量和工程造價(jià)就會(huì)相對(duì)增加。

2.2 凍害問題的主要原因分析

2.2.1 樁基礎(chǔ)的凍害問題

通常對(duì)新疆受到凍害破壞的渠系建筑進(jìn)行分析，結(jié)果可以看出樁基礎(chǔ)的凍脹上拔，主要是因?yàn)榍邢騼雒浟Φ淖饔谩．?dāng)處于凍層中的樁基礎(chǔ)周圍土體中水分凍結(jié)成冰后，冰會(huì)將樁基礎(chǔ)的側(cè)表面與周圍土顆粒膠結(jié)在一起，形成凍結(jié)力，又可稱作凍結(jié)強(qiáng)度。在樁基礎(chǔ)周圍的土體發(fā)生凍脹時(shí)，在靠近樁周圍的凍土凍脹變形便會(huì)受到一定的約束，進(jìn)而沿著基礎(chǔ)側(cè)表面產(chǎn)生方向向上的切向凍脹力，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)在凍脹后發(fā)生上拔現(xiàn)象。

2.2.2 板基礎(chǔ)凍害問題

板式基礎(chǔ)的凍脹上拔問題，主要原因是當(dāng)板式基礎(chǔ)置于凍層內(nèi)時(shí)，不但要受到兩側(cè)的切向凍脹力作用，其底部還會(huì)受到法向凍脹力的作用，在這兩種力的聯(lián)合作用下，使板基礎(chǔ)發(fā)生上抬問題。當(dāng)板基礎(chǔ)置于凍層以下時(shí)，由于板基礎(chǔ)的面積較小，使凍拔力超過總外力，致使整個(gè)板基礎(chǔ)發(fā)生凍脹上抬現(xiàn)象。而當(dāng)板基礎(chǔ)的尺寸和配筋強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，這種上抬問題更容易發(fā)生。

2.2.3 擋土墻的凍脹問題

在小型的渠系建筑物當(dāng)中，擋土墻的應(yīng)用非常普遍。擋土墻在受到凍脹破壞時(shí)主要表現(xiàn)在，滲透性破壞、土體凍脹破壞以及基土的融沉破壞。滲透性破壞主要是說在新疆寒冷地區(qū)，墻后的填土在受到凍脹時(shí)，造成側(cè)向的滲透破壞。當(dāng)墻后填土含水量低于其塑限時(shí)，土體在凍結(jié)過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的體積收縮，而當(dāng)擋土墻后的填土出現(xiàn)凍縮以后，就會(huì)導(dǎo)致土體與墻體的分離，形成縫隙現(xiàn)象。在春季通水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致滲徑短路，進(jìn)而導(dǎo)致填土被水帶走。最終產(chǎn)生進(jìn)出口的整體傾復(fù)或者斷裂;土體凍脹是指，在凍結(jié)期間，墻體會(huì)受到水平凍脹力、切向凍脹力和基底法向凍脹力的共同作用，而產(chǎn)生同向的作用力，導(dǎo)致墻體發(fā)生前傾和變形，當(dāng)氣溫回升以后又不能完全的恢復(fù)，經(jīng)過多年的反復(fù)作用，最終導(dǎo)致墻體傾倒;基土的融沉問題是指，地基土在凍脹時(shí)含水量會(huì)明顯增加，而當(dāng)氣溫回升時(shí)，地基土?xí)诨诨瘯r(shí)的地基承載力會(huì)受到水的影響，使承載力下降進(jìn)而發(fā)生融沉問題。

3 渠系建筑物的防凍脹設(shè)計(jì)措施

3.1 合理安排建筑物的各部分

在寒冷地區(qū)，基礎(chǔ)較淺的小型渠系建筑，其防凍害設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將建筑進(jìn)行合理的分割和設(shè)置合理的變形縫。同時(shí)還應(yīng)該在各部分之間，采用比較可靠的能夠充分適應(yīng)變形的活動(dòng)連接設(shè)計(jì)方案，這樣不但可以改善建筑物結(jié)構(gòu)的受力條件，還能夠有效改善建筑物的防滲條件，這是小型渠系建筑物預(yù)防凍脹較為科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。拿路涵來說，其凍脹破壞主要表現(xiàn)在凍脹力作用下，進(jìn)出口護(hù)墻的中部開裂問題;或者是路涵各連接處的錯(cuò)位、斷裂問題。針對(duì)路涵凍脹的這兩種問題可以采用科學(xué)的分割或者連接方式來解決，具體設(shè)計(jì)方法是，將進(jìn)出護(hù)墻和洞身進(jìn)行分割，使進(jìn)出護(hù)墻和洞身不澆成整體，胸墻形成弧形扣在洞頂;胸墻和護(hù)墻可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，來適應(yīng)洞身、胸墻以及護(hù)墻之間的形變不均勻問題;路涵的本身進(jìn)行分割，在管節(jié)之間采用柔性連接的方式，來適應(yīng)凍脹變形。或者是管節(jié)采用固定連接時(shí)，將各管節(jié)放在淺基框架的基礎(chǔ)上，當(dāng)發(fā)生凍脹上抬時(shí)，各管節(jié)就不會(huì)產(chǎn)生變位問題，有效的避免了管節(jié)錯(cuò)位問題的發(fā)生。

3.2 渠系建筑的平面和立面盡量簡化

由于玉東果勒灌區(qū)的渠系建筑多數(shù)為小型，對(duì)于小型建筑的布置應(yīng)該力求外形的簡化標(biāo)準(zhǔn)，以增加其適應(yīng)凍脹變形的能力。小型的渠系建筑物在凍脹力的作用下，自身抵抗變形，維持穩(wěn)定的能力較低，而且各部分在不均勻凍脹力的作用下，容易受到彎、剪和扭等各種內(nèi)力的作用。小型渠系建筑可以在整體失穩(wěn)的情況下，斷續(xù)使用，但是如果小型建筑物的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，那么在其各種內(nèi)力的作用下，就會(huì)產(chǎn)生較大的強(qiáng)度破壞，進(jìn)而導(dǎo)致小型建筑物的運(yùn)行能力喪失。所以在地小型建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量考慮將其平面和立面結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。

3.3 采用砂礫石墊層來改良土性

換填法目前應(yīng)用較為普遍，尤其對(duì)于新疆地區(qū)的渠系建筑工程來說，是一種即經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方法。采用換填法對(duì)渠系建筑地基土的凍脹變形進(jìn)行預(yù)防，需要將全部凍結(jié)深度或者部分凍結(jié)深度進(jìn)行換置，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)換置深度進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和確定，盡量在工程造價(jià)和防凍害之間取得平衡。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)建筑物的類型、結(jié)構(gòu)所允許的變形程度、土體的凍結(jié)深度以及地下水位等條件來具體計(jì)算確定。

3.4 改變水分轉(zhuǎn)移條件

盡量降低地下水位，設(shè)計(jì)可考慮在渠系建筑物周圍打一些豎直的降水井，在井中回填砂礫石與透水層，起到充分排水的作用;充分利用化學(xué)材料，采用灌漿法對(duì)地基土進(jìn)行固結(jié)，并堵死毛細(xì)水通道，使水分滲透困難或者不能滲透到建筑物基礎(chǔ)中;也可采用在渠系建筑的基礎(chǔ)底部或者周圍鋪設(shè)不透水保溫層的方法。保溫層的厚度和材料可根據(jù)實(shí)際需要來確定。這樣做的好處是，既提高了基礎(chǔ)的地溫，也減少了凍層的深度，同時(shí)還可改變水分的轉(zhuǎn)移方向，使地基下的水分轉(zhuǎn)移到建筑物以外的土層中，避免了凍脹問題的發(fā)生。

4 結(jié)論

在新疆玉東果勒灌區(qū)渠系建筑的設(shè)計(jì)階段，對(duì)建筑物的防凍措施進(jìn)行充分考慮，不但能夠提高這一灌區(qū)水利工程的整體質(zhì)量，還能使這一工程的經(jīng)濟(jì)效益和經(jīng)社會(huì)效益得到長遠(yuǎn)發(fā)揮。對(duì)于渠系建筑物的防凍設(shè)計(jì)，不但需要在玉東果勒灌區(qū)水利工程中考慮，還應(yīng)該在全新疆的農(nóng)田水利工程中全面實(shí)施，這也是新疆水利工程建設(shè)意義能夠得以實(shí)現(xiàn)的前提條件。

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［2］馮永祥.淺談渠系建設(shè)物設(shè)計(jì)中的凍害防治措施［J］.中國水運(yùn)，2008(11):251－252.

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