阿瓦提干渠節水改造項目渠道防凍脹設計探討

金宗興

（喀什地區水利水電勘測設計院，新疆 喀什 844000）

1 項目概況

阿瓦提渠道修建于解放初期，受制于當時的資金限制，施工條件相對較差，施工質量不高，同時經過近幾十年的運行，渠道淤積嚴重，渠身破損嚴重，已不能起到防滲作用；渠道上段縱坡較陡，兩岸沖刷較為嚴重，下段縱坡較緩，淤積嚴重；渠道主要建筑物破損嚴重，閘門丟失，變形起不到正常的擋水分水作用，大部分分水閘為臨時引水口，引水保證率低。瓦提干渠節水改造建設需完成渠道防滲改建長度19.964 km，喀什市阿瓦提灌區現狀年75%情況下，現狀年引水量為2.8733×108m3，提取地下水0.224×108m3為水土平衡計算依據，季節性缺水1.6541×108m3。阿瓦提灌區節水改造完成后，依照喀什市灌區綜合灌溉水利用系數從設計水平年的0.427提高至2020 年的0.538 后喀什市灌區到設計水平年年節水量為 2251.08×104m3。

2 渠系土的凍脹問題

喀什市最大凍土深度0.9 m，區域土基本屬于季節性凍土，土質受季節性影響十分明顯，11 月～次年2 月為凍結期，6 月～9 月則基本融化。土顆粒粒徑和含水量是影響凍土凍脹及融沉的主要因素，土體顆粒粒徑越大且含水量越小，凍土凍脹和融沉越小。工程區在區域大地構造上屬塔里木地臺Ⅸ（一級）、塔里木坳陷Ⅸ5（二級）、喀什坳陷Ⅸ54（三級）上，無斷裂構造發育，存在地層液化、地下水及地基土有腐蝕性及凍脹等不良地質現象。根據《渠道防滲工程技術規范》（GB/T-50600），灌區11 月～次年2 月的凍結期內最冷月平均氣溫在-10℃～-3℃，屬于寒冷地區，干渠節水改造渠道必須考慮防凍脹設計[1]。

阿瓦提干渠渠道沿線地層巖性主要為粉土砂卵礫石，結合干渠節水改造項目渠道沿線水文地質、地層巖性、地下水埋深、渠底高程等情況進行渠道滲透情況的綜合分析。根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487-2008），地層巖性及其連通程度是決定地層透水性的主要方面，滲透系數是衡量地層滲透性的主要指標，渠道砂卵礫石層滲透系數在2.2×10-3cm/s～5.2×10-3cm/s 范圍內，屬中等透水層。

阿瓦提干渠地層巖性由第四系全新統（Q4al+pl）沖～洪積物組成，巖性為砂卵礫石，分為兩層，連續分布。上部砂卵礫石粒徑小于0.075 mm 的含量為10.29～14.05，平均為11.75，屬凍脹土，其厚度為0.5 m～4.0 m，因此，對于上部必須采取抗凍脹措施；下部部砂卵礫石粒徑小于0.075 mm 的含量為2.75～9.05，平均為6.43，屬不凍脹土，對于下部不必采取抗凍脹措施。

3 渠道防凍脹設計

根據《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL 211-2006）進行設計凍深的計算，根據灌區各渠道走向，鄰近氣象臺的地下水位埋置深度、渠床土質，選取渠道陰坡、陽坡、底板相應各系數，計算基礎凍深，提出各渠道抗凍張措施，根據氣象、土質、當地建材等情況，本次抗凍材料主要選取砂礫石墊層。

3.1 凍脹量的計算

3.1.1 設計凍深計算

按照水利部所發布的《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006），阿瓦提干渠節水改造項目渠系工程建筑物設計凍深Zd采用以下公式計算：

式中：ψd表示太陽照射程度對土體凍脹的影響系數，取ψd=1.24；ψw表示區域地下水影響土體凍脹修正系數，取ψw=1.04；Zm表示項目區歷年最大凍深實測值，取Zm=0.90 m。

考慮到項目區水文地質條件、所在緯度、渠線走向，太陽照射程度對土體凍脹的影響系數ψd根據下式計算：

式中：ψi表示阿瓦提干渠節水改造項目渠道典型斷面i 部位太陽照射對土體凍脹影響的修正系數，取ψi=1.15；α 表示考慮氣候區、計算斷面軸線走向、斷面形狀等的綜合修正系數。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。

表1 渠道日照修正系數Ψd 計算表

地下水對凍深的影響系數ψw，應按下式計算：

式中：Zwo為鄰近氣象臺（喀什市氣象臺）的地下水位深度，對于粉土、砂礫石，當 Zwo＞3.0 m 時，可取 Zwo=3 m；本區取 3 m；β 為系數，本工程渠基土質以粉土、砂礫石為主，故取0.79；Zwi為計算點的地下水位深度，取7.0 m，阿瓦提干渠地下水對凍深影響系數ψw計算結果見表2。

表2 阿瓦提干渠地下水對凍深影響系數ψw 計算表

根據以上分析，阿瓦提干渠渠道設計凍深計算結果見表3。

表3 阿瓦提干渠設計凍深Zd 計算表

3.1.2 基礎設計凍深

根據水利部所發布的《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006），本工程渠道基礎設計凍深Zf指的是從設計點基礎外露表面算起的凍深，當基礎板厚度δc≤0.5 m 時，按下式計算基礎設計凍深Zf：

式中：δw為渠道基礎之上冰層厚度，m；δc為基礎板厚度，m。

計算結果見表4。

表4 阿瓦提干渠基礎設計凍深Zf 計算表

3.1.3 凍脹量計算

基礎下土的凍脹量可按《渠系工程抗凍脹設計規范》所給公式計算，即：

式中：h 為工程地點天然凍土層產生的凍脹量，cm，可根據項目區水文地質條件及凍結期內地下水位埋深ZW的具體取值加以確定。當地下水位埋深ZW值超出200 cm，則ZW應按200 cm計；hf為渠系基礎結構以下凍土層凍脹量，m。

由上述條件計算基礎下土凍脹量見表5。

表5 阿瓦提干渠基礎下土凍脹量計算表

按照《渠系工程抗凍脹設計規范》規定，本工程將襯砌體允許法向位移值設定為渠道襯砌結構抗凍脹穩定性能的主要控制指標，阿瓦提干渠渠道基礎下土體凍脹位移遠遠超出弧形坡腳梯形斷面的砼結構凍脹位移量，按照《渠道防滲工程技術規范》（GB/T 50600-2010）規定，該渠道必須采取抗凍脹措施。

3.2 抗凍脹工程措施

經過方案設計及可行性論證，阿瓦提干渠節水改造項目渠道采用置換法抗凍脹措施，即通過非凍脹性土將渠床凍脹性土全部置換并以砂礫石為主要換填材料的抗凍脹措施，根據《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006），寒冷地區渠道采用砂礫石換填的抗凍脹過程中，所選擇的粗粒土中粒徑在0.075 mm 及以下的土粒重量應當控制在土樣總重量10%的范圍內。換填層厚度采用換填比法計算，公式如下：

式中：Ze為置換深度，cm；δ0為襯砌板厚度，cm；ε 為置換比，%；Zd為渠系工程的設計凍深，cm。

根據上述公式，本工程換填厚度計算結果見表6。

表6 阿瓦提干渠換填厚度計算表

根據地質勘探試驗分析全段屬凍脹土需換填，因此本次設計對全段渠道進行換填。經對計算數值進行分析，同時結合喀什地區及喀什市已實施工程經驗，砼板下墊層厚度為40 cm，墊層為砂礫石墊層[2]。

4 結論

用非凍脹土置換凍脹土是當前水利工程中常用的抗凍脹措施，但是由于渠道線長、置換工作量大等方面的考慮，置換法通常對于附近非凍脹土儲量豐富的水利工程較為適用，阿瓦提干渠節水改造工程附近砂礫石含量豐富，可就地取材，所以采用砂礫石換填的抗凍脹措施。該置換措施在實際應用過程中對于渠道開挖高程低于地下水位的渠段，置換層容易在凍結期受水浸泡而失效，所以對于特殊渠段，置換法并不適用，必須增設防濾層或土工織物對墊層料加強保護。阿瓦提干渠節水改造工程近幾年運行實踐表明，本工程防凍脹措施效果十分顯著。