四川省西部高原季節(jié)性凍土地區(qū)渠系工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

袁 斌，年小剛

（四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院，618000，德陽）

四川省西部高原季節(jié)性凍土地區(qū)渠系工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

袁 斌，年小剛

（四川省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計分院，618000，德陽）

川西高海拔地區(qū)；季節(jié)性凍土；凍脹；凍融

一、工程概況

打火溝水利工程位于四川省甘孜藏族自治州甘孜縣，地處青藏高原的東南邊緣，高程為3 404.25～3 653.36 m。冬季時間長，夏季時間短，氣溫變化劇烈，降水量少但蒸發(fā)量大，日照時間長，太陽輻射強，氣候立體變化顯著。歷史記錄最低氣溫-28.7℃，最高氣溫31.7℃。

二、渠基土的凍脹問題

1.渠基土體凍土分類

工程屬高海拔地區(qū)，土體凍結(jié)持續(xù)時間為3～4個月，根據(jù)《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50324—2001）附錄A中凍土分類標準,工程區(qū)土體為高海拔季節(jié)性凍土。渠道基礎(chǔ)組成物質(zhì)主要為第四系的上更新統(tǒng)冰水堆積層及全新統(tǒng)坡積堆積層，局部為全新統(tǒng)坡、洪積堆積層，主要成分為粉質(zhì)黏土、卵礫石土及塊碎石土。該工程區(qū)位于高寒地區(qū)，且工程區(qū)常年有冰雪融水，土壤含水豐沛，渠道基礎(chǔ)具備產(chǎn)生凍脹破壞的物質(zhì)條件。

2.工程區(qū)季節(jié)凍土凍脹性分級

季節(jié)凍土凍脹性分級以渠基土體物質(zhì)組成為基礎(chǔ)，綜合考慮凍前天然含水量及地下水水位等因素，采用《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50324—2001）中季節(jié)凍土的分級標準，對渠基土進行凍脹性分級。

三、渠道的凍融問題

工程區(qū)除凍脹問題外，還存在建筑物自身的凍融問題。該地區(qū)晝夜溫差較大，可達40℃。由于溫度周期性地發(fā)生正負變化，凍土層中的地下冰和地下水不斷發(fā)生相變和位移，使凍土層發(fā)生凍脹、融沉、流變等一系列應(yīng)力變形。混凝土材料在反復(fù)低高溫作用下，經(jīng)過多個凍融循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用，最終導(dǎo)致襯砌材料的凍融破壞。

四、針對凍脹及凍融的試驗段研究

1.渠身結(jié)構(gòu)形式選擇

抗凍脹的研究表明：混凝土襯砌渠道是否產(chǎn)生凍脹破壞，其破壞程度如何，主要取決于渠床的土質(zhì)條件、土體含水量、負溫條件及工程結(jié)構(gòu)形式等因素。如果采取措施消除或改善其中一個因素，就可以減輕或防止襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞。

設(shè)計人員考察了青海、黑龍江凍土地區(qū)灌區(qū)工程，他們采取的措施也不盡相同，和四川省高原地區(qū)水文地質(zhì)有不同之處，為了找到一種適合的抗凍脹措施，決定先開展試驗段研究。

依據(jù)上述原則，對抗凍結(jié)構(gòu)形式采取“抵抗與適應(yīng)”相結(jié)合的辦法，斷面形式及襯砌材料進行了3種形式的針對性試驗：

形式A：明渠采用矩形斷面。采用40～50 cm厚（粒徑2～8 cm）的碎石料置換凍土層，置換層壓實。渠底底板下設(shè)置30 cm×30 cm（粒徑6～8 cm）碎石縱向排水盲溝，過水斷面采用20 cm厚C20（F150、W6）鋼筋混凝土襯護防滲。

形式B：明渠采用梯形斷面，邊坡1∶1不變。采用C20混凝土梯形渠墻護坡，保溫措施采用苯板進行保溫，阻斷土體水與混凝土直接接觸。渠底采用C20混凝土弧形底。

形式C：明渠采用梯形斷面，邊坡1∶1不變。渠底采用C20混凝土弧形底，邊坡采用預(yù)制混凝土板襯護防滲，即邊坡、渠底全部鋪二布一膜復(fù)合土工膜防滲，邊坡采用C20（F150）預(yù)制混凝土板，預(yù)制板下鋪2 cm厚砂漿墊層。坡腳利用現(xiàn)澆混凝土固腳。護坡板橫縫平行于設(shè)計堤頂，豎縫錯開分縫。

2.試驗段評價

在對試驗段進一步分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)渠基土體含水不能有效排除，是產(chǎn)生凍脹破壞的關(guān)鍵，凍脹力較大，不是單純依靠混凝土自身強度能抵抗的，必須進行有效排水和消除渠身周邊凍脹土。

在綜合分析試驗段基礎(chǔ)上，通過比較，形式A的結(jié)構(gòu)措施取得了很好的效果，沒有出現(xiàn)新的破壞。

五、針對凍脹及凍融采取的工程措施

1.渠道形式的選擇

經(jīng)過試驗段的比較研究，矩形渠道在抵抗凍脹力方面優(yōu)于梯形渠道，采用矩形渠道斷面形式。矩形渠道的渠體厚度應(yīng)根據(jù)斷面尺寸進行計算得出，并配置溫度鋼筋。

2.渠槽的開挖

應(yīng)在開挖渠槽的同時開挖好縱橫向排水溝，達到有效排水的目的，減弱凍脹形成的因素。渠底中間開挖形成縱向碎石排水盲溝 （30 cm×30 cm），橫向排水盲溝每100～300 m與渠堤外集水盲井橫向相連，可視具體情況調(diào)整間距。

3.換填骨料的選擇

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查了解，墊層料選用含泥量小于6%、粒徑為20～80 cm的砂礫石是合適并且易于操作的。砂礫石要求新鮮，且不易風(fēng)化，在換填土前應(yīng)用水洗干凈，防止泥沙堵塞而影響排水的效果。

4.混凝土及外加劑的要求

按照《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50600—2010）要求，灌區(qū)屬于寒冷地區(qū)。對于所有過水建筑物混凝土均加入抗凍劑，水泥用量按5%加入，按照F150控制。抗?jié)B等級為W6，混凝土水膠比均控制小于0.5。

混凝土的強度、抗?jié)B、抗凍和水灰比要滿足要求。混凝土外加劑產(chǎn)品質(zhì)量必須符合國家標準《混凝土外加劑》（GB 8076—2008）的規(guī)定。抗凍混凝土配比應(yīng)通過試驗確定。

5.渠道分縫長度的確定

常規(guī)的渠道設(shè)計考慮到施工方便及適應(yīng)變形的需要一般分縫長度為10 m一縫，凍土地區(qū)應(yīng)設(shè)計為5 m一縫以適應(yīng)更大的溫度變形。

6.渠道伸縮縫材料的選擇

常規(guī)的膨脹式填縫材料在極端氣溫下面臨失效的風(fēng)險。本工程采用雙組分聚氨酯密封膠填縫，使用前應(yīng)對接縫處進行清縫、干燥后再進行粘接。

六、結(jié) 語

工程于 2011年展開規(guī)模化施工，至2014年共完成了20 km渠道的修建，經(jīng)歷了數(shù)個完整的冬春季凍脹及凍融破壞的檢驗，目前已經(jīng)通水，實踐證明是切實可行的。該工程為在高海拔季節(jié)性凍土地區(qū)渠道施工提供了寶貴的經(jīng)驗。

[1]凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范（GB 50324—2001）[S].2001.

[2]渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范（SL 23—2006）[S].2006.

[3]渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范（GB/T 50600—2010）[S].2010.

[4]混凝土外加劑（GB 8076—2008）[S]. 2008.

責(zé)任編輯 韋鳳年

TV672

B

1000-1123（2016）18-0044-02

2016－07－21

袁斌，高級工程師，長期從事水利水電工程設(shè)計和管理工作。