麥蓋提縣五零渠防凍脹措施比選

喬冠鋒

（喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 喀什 844000）

1 問(wèn)題的提出

麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程全長(zhǎng)13.75 km，控制灌溉面積27.6萬(wàn)畝，渠道設(shè)計(jì)流量為30.5 m3/s，加大流量為34 m3/s，工程規(guī)模為大型3級(jí)工程。渠道地層巖性主要由粉土和粉細(xì)砂組成。五零渠主要承擔(dān)吐曼塔勒鄉(xiāng)、庫(kù)爾瑪鄉(xiāng)的引水灌溉任務(wù)，同時(shí)，還擔(dān)負(fù)著吉仁力瑪水庫(kù)的引水蓄庫(kù)任務(wù)，吉仁力瑪水庫(kù)總庫(kù)容為3500萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為3000萬(wàn)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(zhǎng)為13.75 km，本次節(jié)水改造長(zhǎng)度為13.75 km。工程區(qū)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(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 211-2006）的氣候分區(qū)，確定屬寒冷地區(qū)，本區(qū)最大凍土深度0.78 m，基礎(chǔ)下土的凍脹位移量均超出梯形斷面砼板襯砌結(jié)構(gòu)的位移量范圍，工程區(qū)渠基土為季節(jié)性凍土，屬于凍脹土，依據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL 18-2004），為防止凍脹破壞，應(yīng)對(duì)該渠道全斷面采取防凍脹措施。麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程0+000～13+750段橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程0+000～13+750段橫斷面

麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程位于南疆地區(qū)，凍害危害渠道防滲襯砌、影響渠道使用壽命和運(yùn)行效果的首要因素是基土凍脹，基土防滲效果直接關(guān)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(qū)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(fā)生的凍脹量削減至渠道襯砌結(jié)構(gòu)所允許的范圍。

2 防凍脹措施的比選

結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕ㄖ牧希F(xiàn)從技術(shù)及經(jīng)濟(jì)兩方面對(duì)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(jìn)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(shù)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)渠基土存在凍脹時(shí)，應(yīng)用非凍脹性土置換渠床原狀土，在長(zhǎng)期的實(shí)踐運(yùn)用過(guò)程中，喀什地區(qū)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(dāng)采用碎石墊層+砂礫石墊層作為渠道的抗凍層時(shí)，渠床各部位置換深度Ze按下式計(jì)算：

《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)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(jù)該規(guī)范，換填層厚度采用換填比法計(jì)算，即：

式中：Z 為換填厚度，m；Zd為設(shè)計(jì)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(jiàn)表1。

表1 渠床置換比ε值

本工程換填厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 換填厚度計(jì)算表

2.2 方案二：采用聚苯乙烯泡沫塑料的保溫措施

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 23-2006），對(duì)于重要工程或基礎(chǔ)采用其他材料保溫的工程，保溫材料厚度可按下式計(jì)算：

式中：δx為保溫材料厚度，m；R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計(jì)熱阻值（m2·℃/W）；αw為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)，根據(jù)聚苯乙烯泡沫塑料板的物理機(jī)械性能取為1.1；δc為基礎(chǔ)板材料厚度，m，根據(jù)橫斷面設(shè)計(jì)取0.1m；λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·℃）），取0.039 W/（m·℃）；λc為基礎(chǔ)材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·℃）），根據(jù)工程實(shí)際情況確定，本工程基礎(chǔ)材料采用現(xiàn)澆砼板，查《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 23-2006）取1.74 W/（m·℃）；ψd為日照修正系數(shù)，取值與抗凍脹設(shè)計(jì)部分一致；I0為工程地點(diǎn)的凍結(jié)指數(shù)（℃·d），查相關(guān)工程區(qū)氣象資料取1000℃·d。

經(jīng)保溫材料厚度分析計(jì)算，保溫聚苯乙烯泡沫塑料板最大厚度按0.12 m計(jì)。

2.3 防凍脹措施比較

2.3.1 投資方面

從投資方面比較，對(duì)于麥蓋提縣五零渠換填措施和保溫措施進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較，使用碎石墊層+砂礫石墊層抗凍墊層料時(shí)，按150元/m3的價(jià)格和15.80萬(wàn)m3的設(shè)計(jì)用量計(jì)算出材料成本為2370萬(wàn)元；平均運(yùn)距115 km，砂石料運(yùn)輸費(fèi)用2.50元（/m·35km），故運(yùn)輸費(fèi)用為1066.5萬(wàn)元。采取砂礫石墊層總投資為3436.5萬(wàn)元。

考慮到保溫聚苯乙烯泡沫塑料板最大厚度按0.12 m計(jì)，本工程若采用聚苯乙烯泡沫塑料的保溫措施的話，應(yīng)選擇具有高阻熱、低線性、低膨脹比性能特點(diǎn)的1200 mm×600 mm×50 mm型B1級(jí)保溫聚苯板[2]，其市場(chǎng)價(jià)為380元/m3，按照15.80萬(wàn)m3的設(shè)計(jì)用量，工程區(qū)聚苯板換填措施成本6004萬(wàn)元，遠(yuǎn)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(jīng)濟(jì)。

表3 保溫苯板厚度計(jì)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(shè)計(jì)用量為15.80萬(wàn)m3，從建筑材料獲取方面比較，砂礫石墊層可充分利用當(dāng)?shù)夭牧希ㄒ?jiàn)圖2）。根據(jù)以往的勘探資料和這次實(shí)地勘探，工程所需防凍砂墊層料在依干其度口上游料場(chǎng)按成品方購(gòu)買，儲(chǔ)量為80萬(wàn)m3。根據(jù)實(shí)地調(diào)查資料，砂礫石墊層可在葉爾羌河依蓋其渡口上游河床內(nèi)開(kāi)采，開(kāi)采面積為3 km2，有效開(kāi)采厚度為3.0 m以上，儲(chǔ)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(shí)最大粒徑必須小于8cm，相對(duì)密度必須大于0.75，平均運(yùn)距115 km。而苯板須從外地采購(gòu)，對(duì)當(dāng)?shù)刎S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(chǎng)地理位置

2.3.3 施工方面

碎石墊層+砂礫石墊層對(duì)材料要求嚴(yán)格，壓實(shí)質(zhì)量較難控制。在使用苯板保溫層時(shí)，雖苯板易于安裝，但澆筑砼板時(shí)需在苯板上鋪設(shè)3 cm～5 cm砂漿過(guò)渡層或鋪設(shè)兩布一膜復(fù)合土工布，且渠道邊坡系數(shù)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(fù)雜，影響施工速度。

由上可知，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)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(jīng)對(duì)計(jì)算數(shù)值進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合喀什地區(qū)及麥蓋提縣已實(shí)施工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)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(jì)算渠底、陰坡及陽(yáng)坡的渠道換填厚度，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)除滿足渠道抗凍脹設(shè)計(jì)外，還需滿足施工的需要，根據(jù)南疆地區(qū)的實(shí)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?lián)Q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(yáng)坡?lián)Q填厚度分別為 44 cm、41 cm、39 cm，并未超過(guò)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 23-2006）所允許的換填厚度安全防凍量。

3 結(jié)論

綜上所述，麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程渠道防凍脹措施選擇時(shí)從經(jīng)濟(jì)可行性、材料的可獲得性及施工可行性等方面進(jìn)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(dāng)?shù)夭牧希瑥囊栏善涠瓤谏嫌瘟蠄?chǎng)按成品方購(gòu)買，而且施工工序比苯板保溫防凍脹措施簡(jiǎn)單，故選擇碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹措施。