麥蓋提縣五零渠防凍脹措施比選

喬冠鋒

（喀什地區水利水電勘測設計院，新疆 喀什 844000）

1 問題的提出

麥蓋提縣五零渠續建配套與節水改造工程全長13.75 km，控制灌溉面積27.6萬畝，渠道設計流量為30.5 m3/s，加大流量為34 m3/s，工程規模為大型3級工程。渠道地層巖性主要由粉土和粉細砂組成。五零渠主要承擔吐曼塔勒鄉、庫爾瑪鄉的引水灌溉任務，同時，還擔負著吉仁力瑪水庫的引水蓄庫任務，吉仁力瑪水庫總庫容為3500萬m3，興利庫容為3000萬m3。五零渠位于塔里木盆地西陲邊緣，受高山屏障和干旱性沙漠的影響，屬溫帶大陸干旱性氣候，五零渠在地形地貌單元上，屬于葉爾羌河中下游沖積平原，渠線大致走向由西南向東北傾斜，地形起伏不大，引水渠全長為13.75 km，本次節水改造長度為13.75 km。工程區多年平均氣溫11.93℃，極端最高氣溫38.4℃，極端最低氣溫-20.3℃，7月最熱，平均氣溫24.8℃，1月最冷，平均氣溫-5.1℃，按《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL 211-2006）的氣候分區，確定屬寒冷地區，本區最大凍土深度0.78 m，基礎下土的凍脹位移量均超出梯形斷面砼板襯砌結構的位移量范圍，工程區渠基土為季節性凍土，屬于凍脹土，依據《渠道防滲工程技術規范》（SL 18-2004），為防止凍脹破壞，應對該渠道全斷面采取防凍脹措施。麥蓋提縣五零渠續建配套與節水改造工程0+000～13+750段橫斷面見圖1。

圖1 麥蓋提縣五零渠續建配套與節水改造工程0+000～13+750段橫斷面

麥蓋提縣五零渠續建配套與節水改造工程位于南疆地區，凍害危害渠道防滲襯砌、影響渠道使用壽命和運行效果的首要因素是基土凍脹，基土防滲效果直接關系到凍脹破壞。就防凍脹措施而言，包括凍脹回避和凍脹削減兩種[1]，而該工程所處的南疆地區由于地理位置、氣候條件特殊，回避凍脹的可能性不大，只能采取有效措施削減凍脹，力圖將渠床基土所可能發生的凍脹量削減至渠道襯砌結構所允許的范圍。

2 防凍脹措施的比選

結合當地的建筑材料，現從技術及經濟兩方面對碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹與苯板保溫防凍脹兩種方案進行比選。

2.1 方案一：碎石墊層+砂礫石墊層的渠基換填措施

按《渠道防滲工程技術規范》規定，當渠基土存在凍脹時，應用非凍脹性土置換渠床原狀土，在長期的實踐運用過程中，喀什地區的抗凍脹材料主要由礫石墊層、碎石墊層+砂礫石墊層兩種型式，因此，本工程可選擇碎石墊層+砂礫石墊層作為本工程的抗凍脹材料。當采用碎石墊層+砂礫石墊層作為渠道的抗凍層時，渠床各部位置換深度Ze按下式計算：

《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006）要求粗粒土中粒徑小于0.075 mm的土粒重量不得大于土樣總重量的10%。根據該規范，換填層厚度采用換填比法計算，即：

式中：Z 為換填厚度，m；Zd為設計凍深，m；δc為防滲層厚度，m；ε為置換比,%。

渠床置換比ε取值見表1。

表1 渠床置換比ε值

本工程換填厚度計算結果見表2。

表2 換填厚度計算表

2.2 方案二：采用聚苯乙烯泡沫塑料的保溫措施

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006），對于重要工程或基礎采用其他材料保溫的工程，保溫材料厚度可按下式計算：

式中：δx為保溫材料厚度，m；R0為工程保溫基礎設計熱阻值（m2·℃/W）；αw為保溫材料的導熱系數修正系數，根據聚苯乙烯泡沫塑料板的物理機械性能取為1.1；δc為基礎板材料厚度，m，根據橫斷面設計取0.1m；λx為保溫材料在自然狀態下的導熱系數（W/（m·℃）），取0.039 W/（m·℃）；λc為基礎材料的導熱系數（W/（m·℃）），根據工程實際情況確定，本工程基礎材料采用現澆砼板，查《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006）取1.74 W/（m·℃）；ψd為日照修正系數，取值與抗凍脹設計部分一致；I0為工程地點的凍結指數（℃·d），查相關工程區氣象資料取1000℃·d。

經保溫材料厚度分析計算，保溫聚苯乙烯泡沫塑料板最大厚度按0.12 m計。

2.3 防凍脹措施比較

2.3.1 投資方面

從投資方面比較，對于麥蓋提縣五零渠換填措施和保溫措施進行了經濟比較，使用碎石墊層+砂礫石墊層抗凍墊層料時，按150元/m3的價格和15.80萬m3的設計用量計算出材料成本為2370萬元；平均運距115 km，砂石料運輸費用2.50元（/m·35km），故運輸費用為1066.5萬元。采取砂礫石墊層總投資為3436.5萬元。

考慮到保溫聚苯乙烯泡沫塑料板最大厚度按0.12 m計，本工程若采用聚苯乙烯泡沫塑料的保溫措施的話，應選擇具有高阻熱、低線性、低膨脹比性能特點的1200 mm×600 mm×50 mm型B1級保溫聚苯板[2]，其市場價為380元/m3，按照15.80萬m3的設計用量，工程區聚苯板換填措施成本6004萬元，遠超出砂礫石墊層投資額。所以，采取砂礫石墊層比苯板保溫措施更為經濟。

表3 保溫苯板厚度計算表

2.3.2 防凍墊層料獲取

五零渠工程抗凍墊層料使用碎石墊層+砂礫石墊層，設計用量為15.80萬m3，從建筑材料獲取方面比較，砂礫石墊層可充分利用當地材料（見圖2）。根據以往的勘探資料和這次實地勘探，工程所需防凍砂墊層料在依干其度口上游料場按成品方購買，儲量為80萬m3。根據實地調查資料，砂礫石墊層可在葉爾羌河依蓋其渡口上游河床內開采，開采面積為3 km2，有效開采厚度為3.0 m以上，儲量大于工程所需量的5倍，砂卵礫石小于0.075 mm的含量平均為4.12，碾壓時最大粒徑必須小于8cm，相對密度必須大于0.75，平均運距115 km。而苯板須從外地采購，對當地豐富的天然建筑物材料利用率不高。

圖2 麥蓋提縣五零渠防滲改建工程料場地理位置

2.3.3 施工方面

碎石墊層+砂礫石墊層對材料要求嚴格，壓實質量較難控制。在使用苯板保溫層時，雖苯板易于安裝，但澆筑砼板時需在苯板上鋪設3 cm～5 cm砂漿過渡層或鋪設兩布一膜復合土工布，且渠道邊坡系數均為1∶1.75，以增大砼板與苯板之間的磨擦，以利于砼板的澆筑和防止砼板塊下滑[3]，從而施工工序復雜，影響施工速度。

由上可知，無論從經濟上還是技術上，渠道防凍層采用苯板保溫均不適合本工程。因此本工程推薦碎石墊層+砂礫石換填層作為防凍材料。

經對計算數值進行分析，同時結合喀什地區及麥蓋提縣已實施工程經驗，當采用碎石墊層+砂礫石墊層作防凍層，渠道砂礫石墊層按渠道走向的不同分別計算渠底、陰坡及陽坡的渠道換填厚度，在進行設計時除滿足渠道抗凍脹設計外，還需滿足施工的需要，根據南疆地區的實際情況，麥蓋提縣五零渠0+000～2+236段、2+236～11+000段和11+000～13+750段陰坡換填厚度分別為40 cm、42 cm、43 cm，渠底換填厚度分別為30 cm、32 cm、29 cm，陽坡換填厚度分別為 44 cm、41 cm、39 cm，并未超過《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006）所允許的換填厚度安全防凍量。

3 結論

綜上所述，麥蓋提縣五零渠續建配套與節水改造工程渠道防凍脹措施選擇時從經濟可行性、材料的可獲得性及施工可行性等方面進行綜合比選。本文所提出的碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹與苯板保溫防凍脹兩種方案均具有可行性，但是碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹措施成本更低，所需要的碎石、砂礫石可充分利用當地材料，從依干其度口上游料場按成品方購買，而且施工工序比苯板保溫防凍脹措施簡單，故選擇碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹措施。