前海灌區45團勝利干渠混凝土渠道抗凍脹設計探討

方海霞

（喀什第三師勘測設計研究院有限責任公司，新疆喀什844000）

前海灌區45團勝利干渠混凝土渠道抗凍脹設計探討

方海霞

（喀什第三師勘測設計研究院有限責任公司，新疆喀什844000）

寒區渠道凍脹破壞是亟待解決的問題，工程建設中采用精準的抗凍脹設計方案有助于工程效果的實現。本文以新疆前海灌區45團勝利干渠為例，分析了該灌區勝利干渠渠基土條件，計算了基土凍脹量，分析了可行的抗凍脹措施，為類似渠道抗凍脹設計提供借鑒。

渠道；抗凍脹設計；措施；比選分析

1 工程概況

45團勝利干渠（0+000—4+930）為新疆前海灌區續建配套與節水改造骨干工程，項目區最冷月份1月平均氣溫為-5.9℃，判定該地區為寒冷地區。經勘察，沿線出露地層巖性均為第四系松散沉積物，地層巖性上部主要為低液限粉土夾低液限粘土或細（粉）砂透鏡體，下部為細（粉）砂。①低液限粉土：粒徑小于0.075mm的含量為85.2%～91.3%，大于10%的標準；細（粉）砂：粒徑小于0.075mm的含量為9.1%～10.4%，大部分大于10%的標準。②工程區標準凍深為0.56m，大于0.1m標準。③凍結初期土的平均含水量為20.3%，塑限含水量平均值為19.8%，0.9倍塑限含水量為17.8%，符合凍結初期土的含水量大于0.9倍的塑限含水量要求。從上述3條凍脹條件綜合判定：渠道沿線低液限粉土和細（粉）砂均系凍脹土，渠道設計采用砼+復合土工膜雙防的防滲結構形式，此種砼板類剛性材料襯砌時應進行防凍設計［1］。

2 渠道抗凍脹設計

2.1 抗凍脹計算

結合渠道走向及計算點不同的地下水位，計算出地下水位與對應的基土凍脹量、地下水位與對應的設計凍深，設計凍深計算公式為：

式中：Zd—工程地點的設計凍深，cm；Ψd—參考日照及遮蔭程度的修正系數；Ψw—地下水影響系數；Zm—歷年最大凍深，此處取0.78m；Ψi—典型斷面（渠道為E-W、N-S走向，底寬與深度之比B/ H=4.5，坡比m=1.75）某部位的日照及遮蔭程度修正系數，取1.15；α—系數，若渠坡較高或建筑物上部有遮蔭作用，應考慮額外的遮蔭影響；Zwo—鄰近氣象臺的凍前地下水位埋深，對于粉土，當Zwo＞2.5m時，取2.5m；β—系數，因渠床土質以低液限粉土為主，取0.79；Zwi—計算點的地下水位深度，根據渠道沿線地下水位勘察資料，45團勝利干渠地下潛水埋深勘察期間實測為自然底面以下2.0～4.5m，設計渠底線以下1.20～2.5m。

根據上述公式以及相關的參數取值可計算得到渠段的設計凍深Zd，結果見表1。

依據《渠系工程抗凍脹設計規范》3.2.2，4、5級建筑物，或沒有現場試驗觀測條件的，其天然狀態的凍脹量h可根據土質和凍結前地下水水位埋深Zw的情況由圖查得。項目區渠基土為低液限粉土，查圖3.2.2-2，結果見表1。

2.2 襯砌結構抗凍脹穩定性計算

基土凍脹量按下式計算：

式中：hf—基礎結構下凍土層產生的凍脹量，mm；Zf—基礎結構下的設計凍深，計算公式為Zf=Zd-0.35δc-1.6δw，m；δc—基礎板厚度，（板厚0.1m）；δw—底板之上冰層厚度，因冬季不運行取0mm；其他變量含義同前。

根據上述計算公式，結合渠道走向及計算點不同的地下水位，計算出地下水位與對應的基土凍脹量、地下水位與對應的設計凍深，結果見表2。

表1 0+000—4+930渠段設計凍深與地表土凍脹量計算結果

表2 0+000-4+930渠段基礎結構下凍土層凍脹量計算結果

根據以上計算結果可知，勝利支干渠渠基土凍脹級別為Ⅰ-Ⅲ級。依據規范，當渠基土凍脹級別為Ⅲ級及以上時，可采用置換措施防止渠道襯砌板凍脹破壞。但由于受冬季灌溉水及水庫滲漏的影響，地下水位仍有上升可能。另外，由于渠道填筑土料均為低液限粉土，排水性較差，冬季側向補給水位消散較慢，有可能造成渠道襯砌凍脹破壞，故仍要對其進行防凍脹處理。［2-3］

3 渠道抗凍脹措施比選分析

3.1 抗凍脹措施設計

根據上述計算結果選擇可行的抗凍脹措施，主要有渠基換填措施和保溫措施。

（1）方案1渠基換填措施：換填材料采用風積沙，依據《渠系工程抗凍脹設計規范》進行抗凍脹設計，要求粒徑小于0.075mm的顆粒含量不得大于總重量的10%。本區標準凍深為55.0cm，最大凍深為78.0cm。根據上文計算結果，渠床置換比選擇：坡面上部選為60%，下部和渠底為80%。設計防滲渠換填厚度：渠道陰面的上部和下部換填厚度分別為0.50與0.55m，底面為0.50m，渠道陽面上部與下部分別為0.35和0.45m。

（2）方案2基土保溫法：當采用保溫措施抗凍脹時，其材料性能應符合相關規范要求，綜合考慮材料性能、造價等因素，工程選用Ⅲ型聚苯乙烯泡沫塑料板，其性能指標如下：表觀密度≥30kg/m3、壓縮強度（相對變形10%）150kPa、導熱系數≤0.039W/（m·K）、尺寸穩定性≤2%、吸水率（體積）≤2%［4-5］。保溫材料厚度為：陰面0.10m，渠底0.09m，陽面0.07m。

3.2 方案比選分析

方案1具有較好的整體抗凍效果，并且更換渠基土之后能夠長期保證渠道混凝土不受基礎土引起的凍脹破壞。但為保障工程施工效果，填換渠道基礎土厚度往往較大，施工工程量較多；并且施工后需要對換填土進行夯實，施工難度相應增加。方案2的渠道混凝土保溫效果較好，施工不需大斷面開挖，在渠基上進行鋪設聚苯乙烯泡沫塑料板，之后的混凝土襯砌只需在苯板上進行即可，施工簡便；但聚苯乙烯泡沫塑料板在運輸及施工中容易破損，不易保存與施工。從經濟角度分析，方案1和方案2的單km投資費用分別為32.19萬元和49.77萬元，方案1單km投資費用能夠節省17.58萬元。綜合工程施工效果及參考灌區多年來渠道防滲工程經驗，且由于苯板極易損壞，工程質量保證率低，最終確定工程抗凍脹設計方案采用方案1（風積沙換填層）。

4 渠道結構設計

4.1 封頂板設計

根據《渠道防滲工程技術規范》規定，防滲渠道在邊坡防滲結構頂部應設置封頂板，其寬度為15～30cm。當防滲結構下有砂礫石置換層時，封頂板寬度應大于防滲結構與置換層的水平向厚度10cm。本設計中封頂板寬度取40cm，封頂板厚度為6cm，封頂板采用C15砼現澆，封頂板每隔3m設1道伸縮縫。

4.2 渠道混凝土設計

渠道設計為0+000—16+752段采用弧形坡腳梯形斷面，16+752—20+910段采用弧形底梯形斷面，防滲形式均為現澆混凝土+復合土工膜。渠道全斷面采用C252級配砼現澆，厚度為100mm，抗凍等級為F100，抗滲等級為W6。混凝土板下鋪設復合土工膜（1布1膜，布重200g/m3，膜厚0.3mm），膜下換填30～55cm厚的砂礫石。橫向伸縮縫每隔3m設1條，縫寬2.0cm（等寬）填充形式：上部均采用2cm聚氨酯填縫，下部采用6cm高壓閉孔板填縫。在渠底兩坡腳處及渠道邊坡各設1道縱向伸縮縫，上部均采用2cm聚氨酯填縫，下部采用6cm高壓閉孔板填縫。沿渠道縱向每隔100m設1道厚30cm的現澆隔墻，隔墻混凝土強度等級C25，抗凍等級F100，抗滲等級為W6。

5 結語

寒冷地區渠道基礎土壤受地區自然氣溫的影響，所處的狀態多為凍和融，如渠道設計中忽略或未進行有效抗凍脹設計，一般都會遭受不同程度凍脹破壞，渠道混凝土襯砌結構被嚴重破壞。因此，為保障灌區水利工程的長期效益發揮，灌區新建渠道設計必須充分考慮渠道凍脹破壞因素。

［1］李超明.沙井子灌區渠道襯砌混凝土防凍脹設計探討［J］.水利技術監督，2009（02）：46-47+50.

［2］王利軍.混凝土渠道抗凍脹設計及防凍害措施在西北凍土地區節水工程中的應用［J］.水利規劃與設計，2009（06）：64-66.

［3］張建，梁小璇.新疆北疆某渠道設計在實際中的應用［J］.工程實踐，2013（03）：62-64.

［4］劉志斌，劉建軍.渠道工程中保溫板防凍脹設計［J］.人民長江，2012（43）：29-31.

［5］張彥武.聚苯乙烯泡沫板在渠道防凍脹中的運用［J］.甘肅水利水電技術.2009（45）：7-9.

TV698.2+6

文章編號：1672-2469（2015）12-0055-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.020

方海霞（1977年—），女，高級工程師。