新疆塔什薩依干渠凍脹防御探析

劉繼芳

（新疆巴州車爾臣河流域管理處 新疆 巴州 841900）

塔什薩依干渠地處新疆且末縣，氣溫變化劇烈。根據塔什薩依河調查情況和冰情資料分析，塔什薩依干渠工程處多年平均封凍天數為90 d，最長120 d 左右，平均冰厚20 cm 左右，最大冰厚45 cm。為了確保渠系安全運行，在建設中需對凍脹防御問題進行探討。

1 概況

塔什薩依干渠工程（0+000～25+000 段）位于且末縣境內的塔什薩依河上，擬建干渠總長度60.812 km。工程配套建筑物16 座，其中隧洞1 座、沉砂池1 座、跌水9 座、交通橋5 座。干渠設計引水流量為10.5 m3/s，加大引水流量為13 m3/s。

2 地質地貌分析

按地貌形態、結構、地表物質組成，將塔什薩依干渠自南向北分為山前傾斜沖洪積礫質平原區、風積沙漠區、沖積細土平原區。根據勘察情況，將渠道分為三大段。

2.1 砂卵礫石帶（渠線0+000～22+900 段）

渠道位于塔什薩依河出山口的沖洪積扇上，地形坡降10‰～20‰，地貌單元為山前傾斜礫質平原，渠道沿線勘探揭露地層主要為第四系上更新統－全新統沖洪積物（Q3＋4al＋pl）地層，根據渠道沿線的地層巖性不同分為兩段，現分述如下：

1）0+000～17+650 段：渠線位于塔什薩依河河床以西的戈壁灘上，縱坡較大，地面無植被。該段地層從上至下分為兩層：第①層：卵石層（Q4al＋pl），厚約1.30 m～3.50 m，顆粒最大粒徑40 cm，分選性差，磨圓度較好，結構稍密～中密，勘探過程中坑壁穩定，局部夾薄層砂層，礫石成份為片麻巖、片巖和砂巖等。第②層：卵石層（Q3al＋pl）厚約2.00 m～8.00 m，勘探深度內未揭穿，顆粒最大粒徑50 cm，礫石成份為片麻巖、片巖和砂巖等。

2）17+650～19+720 段：從上至下分為兩層：第①層：礫砂層（Q4al＋pl）厚約1.50 m，結構稍密～中密，礫石最大粒徑10 cm。該層在自然地面以下0～1.0 m 范圍內含較多的石膏及少量芒硝，石膏結晶層，呈散狀，層厚2 m～3 cm，局部層厚可達10 cm，建議清除石膏及芒硝層。第②層：礫砂層（Q3al＋pl）厚約2.00 m～2.50 m，礫石最大粒徑8 cm，結構密實，勘探過程中坑壁穩定，未見地下水。

3）19+720～22+900 段：從上至下分為兩層：第①層：圓礫層（Q4al＋pl）厚約1.60 m～3.20 m，顆粒最大粒徑10 cm。該層在自然地面以下0～1.0 m 范圍內含較多的石膏及少量芒硝，石膏結晶層，呈散狀，層厚2 m～3 cm，局部層厚可達5 cm，建議清除石膏及芒硝層。其中，渠線21+900～22+350 段表層有0.90 m 厚的粉砂層，呈黃色，干，松散。第②層：圓礫層（Q3al＋pl），厚約0.90 m～2.00 m，結構密實，勘探過程中坑壁穩定，未見地下水。

2.2 沙漠帶（渠線22+900～57+447 段）

渠道位于風積沙漠帶上，渠道沿線勘探揭露地層主要為第四系全新統風積物（Q4eol）地層，渠道沿線為風積形成的地形、地貌，沿線有固定、半固定沙丘、新月型沙丘、復合型縱向沙山和金字塔型沙山等，沙丘高度約10 m～30 m。地貌單元為沙漠帶。該段地層為粉砂層，厚度約1.80 m～7.00 m，未揭穿，干～稍濕，上部結構松散，下部結構稍密，勘探過程中坑壁不穩定，易塌方，該層渠道沿線成層穩定，分布均勻。其中，渠線22+900～23+350 段下伏地層巖性為粉土層，厚度約1.8 m，渠線43+740～44+055 段以及45+440～45+945 段表層揭露地層巖性為粉土層厚度約0.5 m～1.0 m，干～稍濕，稍密；渠線23+615～23+750 段揭露地層巖性為礫砂層，呈灰色，干燥，層厚約3.5 m，勘探過程中坑壁穩定，局部夾薄層砂層。該段只有45+647 段勘探點揭露地下水，地下水位埋深約4.95 m，相應的高程為1009.19 m，其它段在1.80 m～7.00 m 勘探深度范圍內未見地下水。

2.3 細土帶（渠線57+447～61+812 段）

渠道位于塔什薩依河沖積平原上，渠道沿線勘探揭露地層主要為第四系全新統沖積物（Q4al）地層，根據渠道沿線的地層巖性不同分為一段，現分述如下：

渠道沿線為蘆葦鹽堿地，地層為中砂層，厚度約2.70 m～3.50 m，未揭穿，干～濕，上部結構松散，下部結構稍密，勘探過程中坑壁上部結構不穩定，下部結構基本穩定，該層渠道沿線成層穩定，分布均勻。該段渠道基土最大勘探深度2.70 m～3.50 m 范圍內，未見地下水。

3 氣溫影響分析

塔什薩依河流域地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，遠離海洋。南有青藏高原、昆侖山及阿爾金山橫臥，暖濕空氣不易流入；北有天山阻隔，水汽來源很少，僅有干冷空氣從東北方襲來。由于受浩瀚沙漠影響，呈現出暖溫帶極端干旱大陸性荒漠氣候景觀。多年平均降水量17.6 mm，最大年降水量106.9 mm，最大一日降水量42.9 mm(1986 年7 月22 日)，最小年降水量3.9 mm，年平均蒸發能力2993.6 mm(口徑20 cm)，干旱指數為69.1。

總之，塔什薩依河流域春秋季溫度變化劇烈，夏季炎熱，冬季寒冷。對渠系建筑物影響較大。

4 防凍脹方案設計

本次勘察的渠線渠底和邊坡均位于卵石層、圓礫、礫砂、粉砂、粉土及中砂層上。根據《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL 23-2006）[1]，細粒土及小于0.075 mm 粒徑的土粒重量超過土樣總質量的10%的粗粒土為凍脹性土。

根據地質勘察情況可知對本渠道采取防凍措施有兩種情況：

（1）在22+900 以前地層巖性以卵礫石和砂礫石為主，為非凍脹性土。因此，此段不考慮防凍設計。（2）在22+900 以后，表層巖性以粉土、粉砂土為主，粉土中粒徑小于0.075 mm 顆粒含量為65.5%～78.7%，大于10%，其中小于0.075 mm 顆粒含量為10.7%～25.9%，小于60%，判定為凍脹性土，需增加防凍措施。

設計凍深計算：

式中：Zd為設計凍深，m；φd為日照及遮蔭程度影響系數；φw為地下水影響系數；Zm為實測歷年最大凍土深度，0.8 m；φi為典型斷面某部位的日照及遮蔭程度修正系數；α、β 為系數；Zwo為鄰近氣象臺（站）的凍前地下水位深度，m；Zwi為計算點的凍前地下水位深度，m。式中相關參數取值及凍深計算見表1。

表1 設計凍深計算表

當δc≤0.5 m 時，基礎設計凍深計算可按下式計算：

式中：Zf為地基土設計凍深，m；Zd為設計凍深，m；δw為凍前底板上的水深，m；δc為涵閘底板（或墻）的厚度，0.10 m。

式中相關參數及計算結果見表2。

表2 基礎設計凍深計算表

基礎下基土的凍脹量按下式計算：

式中：hf為地基土凍脹量，cm；h 為地表凍脹量，查圖后取2.25 cm；Zf為地基土設計凍深,0.79 m；Zd為設計凍深，0.89 m。

經計算，基礎下的基土的凍脹量為1.997 cm，混凝土梯形斷面的允許法向位移值為5 mm～10 mm，超出了混凝土梯形斷面的抗凍脹能力，因此需要采取渠道防凍脹的措施。

本次設計采用兩種防凍脹措施進行比選：方案一：采用聚苯乙烯板防凍，本工程為中型渠道，根據《渠道防滲工程技術規范》（GBT 50600-2010）[2]要求，采用聚苯乙烯板保溫時其厚度可取設計凍深的1/10～1/15，根據計算，不同部位設計不同的苯板厚度，即底面和邊坡下部防凍苯板設計厚度為0.87×1/10=0.87 m，邊坡上部防凍苯板設計厚度為0.89×1/15=0.06 m；保溫層聚苯乙烯板的厚度取6 cm。

方案二：采用砂礫石墊層換填渠基。換填厚度計算如下：

根據《渠道防滲工程技術規范》，由下式計算置換深度Zn：

式中：Zn為換填厚度，m；ε 為置換比，%，查表取值；δ0為襯砌板厚度，m；Zd為置換部位的設計凍深，m。

計算結果見表3。

表3 換填厚度計算表

方案一、方案二的典型橫斷面見圖1。

圖1 兩種方案典型橫斷面對比圖

從工程的抗凍設計效果來看，兩種方案均能滿足設計要求；從投資來看，苯板墊層每100 m 投資為2.52 萬元，換填砂礫石墊層每100 m 投資為2.38 萬元，即方案一苯板墊層較方案二砂礫石墊層投資高；但從施工來看，方案二施工工期較長，且施工質量不如苯板易控制。通過以上分析，從節省投資的角度出發，同時參考當地的經驗，本次設計推薦方案二。由于地質上建議渠線22+900～61+812 段采取相應防凍脹措施，所以22+900 以后渠道下需砂礫石換填，因此，C20 現澆砼板的換填抗凍層的厚度為600 mm，細粒砼砌卵石的換填抗凍層的厚度為300 mm。

5 結語

高寒極冷區，建設水利工程需要考慮防凍脹問題，塔什薩依干渠所處地區正常年景下河段多年平均封凍天數為90 d，平均冰厚20 cm 左右。特別是以粉土、粉砂土為主的22+900 段，特別需要增加防凍措施。通過分析地質、氣溫的影響，以及兩種方案的比選，提出采用換填砂礫石墊層的方式進行抗凍，以確保渠系安全，可為高寒地區水利建筑防凍脹提供借鑒。