灌區續建與節水工程抗凍脹設計探討

□劉文輝

（烏魯木齊市水利勘測設計院（有限責任公司）阿克蘇分公司）

灌區續建與節水工程抗凍脹設計探討

□劉文輝

（烏魯木齊市水利勘測設計院（有限責任公司）阿克蘇分公司）

凍脹破壞是制約和影響灌區續建與節水工程質量及效益的重要因素之一，新疆地區干旱缺水、季節溫差與晝夜溫差較大，渠道凍脹破壞現象更加突出，文章從木扎提河灌區續建與節水工程設計凍深的確定、基土凍脹量的計算以及抗凍脹措施與抗凍脹材料的比選等角度詳細研究了該工程抗凍脹設計的流程與關鍵環節，以期對類似工程提供指導借鑒。

灌區續建；節水工程；抗凍脹；設計凍深

1 工程概況

木扎提河灌區位于新疆阿克蘇地區拜城縣境內，地理位置東經80°37′～81°45′，北緯41°30′～42°51′，灌區呈條帶狀分布于木扎提河南北兩岸，是拜城縣最大的灌區，灌區南北寬25 km，東西長70 km，總土地面積77333hm2。木扎提河灌區是拜城縣一個古老的灌區，灌區水資源豐富，適宜種植糧食、油料等作物，新中國成立以前，灌區就已初具規模，至20世紀80年代末，灌區人民在黨和政府的領導下，進行大規模土地開發建設，灌區灌溉面積迅速擴大到約13333hm2。由于當時受財力的限制，灌區水利設施極為簡陋，灌區作物產量較低，到90年代初期，隨著國家水土開發政策的實施，灌區灌溉面積的發展明顯加快，截止到目前灌區灌溉面積已發展到25333hm2，灌區灌溉骨架和網絡已經形成，并且成立了管理機構。灌區引水渠首目前運行狀況良好，隨著大型灌區續建配套與節水改造項目的逐年實施，灌區內部已實施項目運行情況良好，但仍有部分渠道工程建設標準低，尤其是干渠以下灌溉渠道防滲率低，水量滲漏嚴重，沖刷嚴重，渠系建筑物年久失修，多數存在不同程度的破壞，供水能力大幅度降低，因而對其進行防滲改造是十分必要的。

2 工程抗凍脹設計

2.1 設計凍深計算

式中：Zd——設計凍深（m）；ψd——考慮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，項目區陰、陽面中部的ψi=1.15，底面中部的ψi=1.15；a——系數，與工程所在氣候區、計算斷面的軸線走向、斷面形狀及計算點位置有關。在坡比m=1.50，底寬與深度之比B/H=1～2時，NS走向的a值為：陰面、陽面0.38～0.44，底面0.32～0.51；EW走向的a值為陰面0.99～0.97，陽面4.41～4.58，底面0.70～0.73；NE45°走向的a值為陰面0.49，陽面1.79～1.94，底面0.38～0.59；ZW0——鄰近氣候臺（站）的凍前地下水水位深度（m），當黏土、粉土ZW0＞3 m、細粒土質砂ZW0＞2.50 m、含細粒土砂ZW0＞2 m時，可取黏土、粉土ZW0=3 m，細粒土質砂ZW0=2.50 m，含細粒土砂ZW0=2 m；本項目區取2 m；ZWi——計算點的凍前地下水水位深度（m），可取計算點地面（開挖面）至當地凍結前地下水水位的距離；根據本區凍結情況進行取值；β——系數，因渠床土質均以地液限粉土為主，故取β＝0.63。

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，算出不同部位的設計凍深，然后畫出地下水位與設計凍深關系曲線，各渠道可根據地下水位的不同數值由此曲線上查出各段設計凍深值。

根據上述計算公式，計算渠道不同走向的設計凍深為：

EW方向陽面渠道：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值計算表

表2 ψw值計算表

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

2.2 計算并分析基土的凍脹量

按照下列公式進行計算：

式中：hf為基土的基本凍脹量（mm）；h為工程地質條件下（即天然凍土層）的實際凍脹量（mm）；Zf為基土以下凍深設計值（m）；Zd為標準層設計凍深（m）；δc為基土層的厚度（m）；δw為冰層在基土以上的厚度（m）。

當邊坡系數m=1.50，EW方向時，所求得的凍脹量hf=8 mm，NS方向時，所求得的凍脹量hf=36 mm。結合并對照相應的標準可以看出，工程凍脹量計算值所對應的凍脹等級是Ⅰ、Ⅱ級，與規范所對應的地質條件等級相比，本工程凍脹等級大大超出了允許值，所以，必須采取恰當措施進行抗凍脹處理。

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行保溫［2］，兩種方法分述如下。

3.1.1 置換法

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》規定，當采用置換措施防止凍脹破壞時，渠床各部位換填深度（即抗凍層厚度）Zn可按下式計算：

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——換填部位的設計凍深（m）。

經計算，各渠道砂礫石防凍體置換厚度如表3。

根據項目區已建工程防凍體厚度，再結合本次工程防凍體計算結果，確定本次工程砂礫石防凍體厚度如下：渠底0.50 m厚，陽坡0.40 m厚，陰坡0.40～0.50 m厚。

3.1.2 保溫法

表3 項目區渠道砂礫石防凍體厚度計算表單位：cm

根據《渠道防滲工程技術規范》規定，在防滲結構下設保溫層，大型渠道的保溫層厚度，通過熱工計算確定；中型、小型渠道，采用聚苯乙烯泡沫塑料板保溫時，其厚度可取設計凍深的1/10～1/15。經計算，各渠道苯板厚度如表4。

根據項目區已建工程苯板厚度，再結合本次工程計算結果，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

項目區地處拜城縣木扎提河灌區，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行防凍處理，則砂礫石需自木扎提河沿線砂料場拉運，比較過程及結果如下：與苯板保溫的處理措施相比，采取利用砂礫石進行換填的處理方案，所需完成的工程量約為2318.51 m3，進行施工時，環節復雜，會大大拖慢施工進度，但是具有較好的抗凍脹效果，投資經濟，故選擇這一方案進行抗凍脹處理。

表4 項目區渠道保溫苯板厚度計算表單位：cm

4 結論

凍脹是造成灌區續建與節水工程混凝土板護坡破壞的常見原因之一，也是襯砌渠道設計的關鍵性技術與因素，文章對木扎提河灌區續建與節水工程抗凍脹設計及所采用的換填及保溫措施進行了探討，采用風積沙作為換填材料，根據工程實際情況，渠線附近的風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，渭干河灌區改建工程砼板抗凍脹設計［J］，水利科技與經濟，2016（5）：36-38.

［2］李朝輝，混凝土板渠道防滲工程中抗凍脹技術措施調查與分析［J］，建筑科技與管理學術交流會，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計工作。

2017-8-25

編輯：劉長垠 韋詩佳