烏魯卻勒干渠改建渠道抗凍脹設計

趙敬和

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000）

1 工程概況

烏魯卻勒干渠位于新疆阿克蘇地區阿瓦提縣，阿瓦提縣灌區多年氣溫平均為10.5℃，極端最高和最低溫度分別為39.4℃、-27℃。多年平均降水量47.8 mm，且年內變化大，分配不均。夏季5 月～8 月降水占年總降水量的72%，降水量最少的冬季僅占4.4%。灌區蒸發量大，多年平均蒸發量1162.2 mm。多年平均風速1.9 m/s，歷年最大風速14 m/s，多出現在春夏兩季，并伴有沙塵、浮土和低溫天氣。項目區最大凍土深度62 cm。為滿足阿瓦提縣灌區灌溉用水的需要，烏魯卻勒干渠在阿拉爾閘下游玉滿總干渠中段3.984 km 處新建節制分水閘，向南新建4.618 km 渠道進入原塔木托格拉克干排，然后利用干排渠線新建渠道，末端投入哈拉塔閘閘后現狀烏魯卻勒干渠，同時對烏魯卻勒干渠進行改建。本方案新建及改建烏魯卻勒干渠22.247 km。

烏魯卻勒干渠改建工程區屬于季節性凍土地區，季節性凍土標準凍深0.6 m～0.8 m，渠堤和渠基土以低液限粉土、低液限黏土和粉土質砂為主，由室內試驗結果可知，低液限粉土、低液限黏土和粉土質砂小于0.075 mm 的顆粒含量均大于10%，根據《水工建筑物抗凍設計規范》中“土中粒徑小于0.075 mm 的土粒的質量大于總質量10%的土為凍脹性土”的規定，判定本工程渠堤和渠基土均為凍脹性土，建議工程設計時應采取相應的抗凍脹措施。

2 改建渠道抗凍脹設計

本次改建渠道位于凍土區，凍脹性土地層巖性特征較為明顯，工程區歷年水文氣象資料表明，區域標準凍土深度至少為0.1 m，為此，必須對烏魯卻勒干渠渠道進行抗凍脹設計[1]。

2.1 設計凍深計算

設計凍深按下式計算：

式中：Zd為設計凍深（m）；ψd為工程區日照和遮蔭情況的修正系數；ψw為烏魯卻勒干渠渠道凍脹受區域地下水影響的程度系數；Zm為歷年工程區渠道凍深最大值，根據所獲取工程區資料，Zm取62 cm；ψi為烏魯卻勒干渠典型斷面考慮日照和遮蔭程度的修正系數，根據項目區氣候資料可得烏魯卻勒干渠渠道陰、陽面和底面中部ψi均取1.15；a 為系數，根據項目區氣候資料、干渠渠道設計斷面軸線走向、計算點位置等，查中國氣候區劃圖得，具體取值情況見表1。

表1 烏魯卻勒干渠渠道系數a 取值表

ZW0為鄰近氣候站非凍結期內地下水水位埋深，對于項目區黏土、粉土地層ZW0至少取3.0 m；細粒土質砂地層ZW0至少取2.5 m；含細粒土砂地層ZW0至少取2.0 m，為保證渠道抗凍脹設計效果，黏土、粉土地層、細粒土質砂地層和含細粒土砂地層ZW0分別取3.0 m、2.5 m、2.0 m。ZWi為設計點非凍結期內地下水水位埋深，根據項目區實際凍土及凍結情況取值。β 為渠道渠床土質系數，因烏魯卻勒干渠渠床主要為砂壤土土質，取0.63。

根據式（1）～式（3）以及烏魯卻勒干渠渠道走向和地下水位具體埋深情況，計算干渠渠道設計凍深，烏魯卻勒干渠渠道設計凍深與地下水位埋深的計算結果和數量關系見表2。

表2 烏魯卻勒干渠渠道設計凍深與地下水位埋深的數量關系

結合以上所計算得烏魯卻勒干渠渠道凍深設計值與地下水位埋深的數量關系，通過查干渠渠道歷年凍深設計值，確定本干渠工程凍深設計值為：N-S 走向渠道邊坡0.69 m，渠底0.70 m；E-W 走向渠道陽坡0.3 m，陰坡0.82 m，渠底0.66 m；NE45°走向渠道陽坡0.54 m，陰坡0.77 m，渠底0.67 m。

2.2 渠基土凍脹量

烏魯卻勒干渠渠道基土凍脹量計算公式為：

式中：hf為烏魯卻勒干渠渠基凍脹量，mm；h 為項目區天然凍土層凍脹量，mm；Zf為渠基凍深設計值，m；δc為基礎砼板厚度，m；δw為底板冰層厚度，m。

將烏魯卻勒干渠渠道實際數據帶入式（4）和式（5），計算結果見表3。

根據計算結果，烏魯卻勒干渠渠道地基土凍脹量在3 mm～50 mm 范圍，由《渠系工程抗凍脹設計規范》可知，干渠渠道基土屬于Ⅳ級凍脹，對于梯形渠道斷面，砼襯砌結構和漿砌石襯砌結構法向位移允許值分別為5 mm～10 mm 和10 mm～30 mm，因烏魯卻勒干渠渠道襯砌結構實際凍脹位移比規范允許的法向位移大，所以必須進行抗凍脹處理[2]。

表3 烏魯卻勒干渠渠道凍脹量與地下水位埋深的數量關系

3 渠道抗凍脹處理

為保證抗凍脹處理效果，首先應進行烏魯卻勒干渠渠床凍土部分的換填，換填深度按下式確定：

式中：ε 為換填比，查《渠系工程抗凍脹設計規范》換填比表得坡面頂部、底部和渠底ε 分別取0.60～0.80 和0.80～1.0；δ0為襯砌板厚度，m。

當不考慮砼板襯砌厚度δ0時渠道防凍層置換厚度為：

N-S 走向渠道邊坡0.48 m；渠底0.6 m；E-W 走向渠道陽坡0.16 m；陰坡0.58 m；渠道底面：Zd=0.56 m。NE45°走向渠道陽坡：Zd=0.35 m；陰坡：Zd=0.54 m；渠道底面：Zd=0.44 m。根據渠道砼板襯砌厚度，并從方便工程施工的角度考慮，如采用置換法時改建渠道防凍層厚度Ze均取50 cm。

在確定出烏魯卻勒干渠渠道凍土置換層厚度的基礎上，還應采用聚苯乙烯泡沫塑料板進行保溫處理，其厚度D 為：

式中：Zd為設計凍深值；渠道邊坡：Zd=0.58 m；坡面底部及渠道底面：Zd=0.60 m。對于N-S 走向的渠道邊坡計算得D=3.9 cm～5.8 cm，渠道底面：D=4.0 cm～6.0 cm。

綜合以上計算結果，考慮剛性襯砌材料的厚度，渠道底部、陽坡和陰坡保溫苯板厚度初步確定為6 mm。

4 抗凍脹材料比選

根據本次建筑材料調查，項目區內防凍體墊層料只有天然砂礫石料和常規的中密度苯板，本次設計采用標準斷面進行防凍材料經濟比較。

天然砂礫石料從阿克蘇西大橋砂石料場購買拉運，料場位于西大橋處314 國道以下約3 km 處，距烏魯卻勒干渠平均運距為75 km；苯板需從阿克蘇市苯板廠進行采購，距烏魯卻勒干渠平均運距為85 km。

根據以上運距，對烏魯卻勒干渠改建渠道設計橫斷面形式以上兩種置換防凍保溫材料進行比較，具體比較結果見表4。

表4 項目區渠道防凍保溫材料方案比較表

根據比選表對兩種抗凍材料的比選，從材料來源、工程量、施工難易程度、適用范圍、防凍脹效果、投資等方面進行比選，結合本項目工程的特點，本次設計推薦采用質量滿足要求、邊坡穩定性較好且工程投資較低的砂礫石作為抗凍脹材料。

5 結論

烏魯卻勒干渠改建渠道抗凍脹實踐表明，渠道抗凍脹設計必須注重渠、路、溝的結合，對于地下水埋深淺且在渠底凍深范圍以內的渠道，排水條件不良的情況下，必須進行保溫和壓實處理，減少凍深，采用砼預制板下鋪設聚苯乙烯保溫板的襯砌結構型式；對于地下水埋深淺且低于渠底凍深范圍的渠道，應通過砂礫料換填，阻截土壤毛細管影響，并采用砼預制板下鋪設防滲薄膜的襯砌型式。在渠道運行管理方面，必須加強冬灌結束時間的控制，并在冬灌結束后立即排空灌渠內積水，清除渠道淤泥，防止積水結冰而導致渠道凍脹破壞。