方海霞

（喀什第三師勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆喀什844000）

前海灌區(qū)45團勝利干渠混凝土渠道抗凍脹設(shè)計探討

方海霞

（喀什第三師勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆喀什844000）

寒區(qū)渠道凍脹破壞是亟待解決的問題，工程建設(shè)中采用精準的抗凍脹設(shè)計方案有助于工程效果的實現(xiàn)。本文以新疆前海灌區(qū)45團勝利干渠為例，分析了該灌區(qū)勝利干渠渠基土條件，計算了基土凍脹量，分析了可行的抗凍脹措施，為類似渠道抗凍脹設(shè)計提供借鑒。

渠道；抗凍脹設(shè)計；措施；比選分析

1 工程概況

45團勝利干渠（0+000—4+930）為新疆前海灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造骨干工程，項目區(qū)最冷月份1月平均氣溫為-5.9℃，判定該地區(qū)為寒冷地區(qū)。經(jīng)勘察，沿線出露地層巖性均為第四系松散沉積物，地層巖性上部主要為低液限粉土夾低液限粘土或細（粉）砂透鏡體，下部為細（粉）砂。①低液限粉土：粒徑小于0.075mm的含量為85.2%～91.3%，大于10%的標準；細（粉）砂：粒徑小于0.075mm的含量為9.1%～10.4%，大部分大于10%的標準。②工程區(qū)標準凍深為0.56m，大于0.1m標準。③凍結(jié)初期土的平均含水量為20.3%，塑限含水量平均值為19.8%，0.9倍塑限含水量為17.8%，符合凍結(jié)初期土的含水量大于0.9倍的塑限含水量要求。從上述3條凍脹條件綜合判定：渠道沿線低液限粉土和細（粉）砂均系凍脹土，渠道設(shè)計采用砼+復(fù)合土工膜雙防的防滲結(jié)構(gòu)形式，此種砼板類剛性材料襯砌時應(yīng)進行防凍設(shè)計［1］。

2 渠道抗凍脹設(shè)計

2.1 抗凍脹計算

結(jié)合渠道走向及計算點不同的地下水位，計算出地下水位與對應(yīng)的基土凍脹量、地下水位與對應(yīng)的設(shè)計凍深，設(shè)計凍深計算公式為：

式中：Zd—工程地點的設(shè)計凍深，cm；Ψd—參考日照及遮蔭程度的修正系數(shù)；Ψw—地下水影響系數(shù)；Zm—歷年最大凍深，此處取0.78m；Ψi—典型斷面（渠道為E-W、N-S走向，底寬與深度之比B/ H=4.5，坡比m=1.75）某部位的日照及遮蔭程度修正系數(shù)，取1.15；α—系數(shù)，若渠坡較高或建筑物上部有遮蔭作用，應(yīng)考慮額外的遮蔭影響；Zwo—鄰近氣象臺的凍前地下水位埋深，對于粉土，當(dāng)Zwo＞2.5m時，取2.5m；β—系數(shù)，因渠床土質(zhì)以低液限粉土為主，取0.79；Zwi—計算點的地下水位深度，根據(jù)渠道沿線地下水位勘察資料，45團勝利干渠地下潛水埋深勘察期間實測為自然底面以下2.0～4.5m，設(shè)計渠底線以下1.20～2.5m。

根據(jù)上述公式以及相關(guān)的參數(shù)取值可計算得到渠段的設(shè)計凍深Zd，結(jié)果見表1。

依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》3.2.2，4、5級建筑物，或沒有現(xiàn)場試驗觀測條件的，其天然狀態(tài)的凍脹量h可根據(jù)土質(zhì)和凍結(jié)前地下水水位埋深Zw的情況由圖查得。項目區(qū)渠基土為低液限粉土，查圖3.2.2-2，結(jié)果見表1。

2.2 襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹穩(wěn)定性計算

基土凍脹量按下式計算：

式中：hf—基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量，mm；Zf—基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下的設(shè)計凍深，計算公式為Zf=Zd-0.35δc-1.6δw，m；δc—基礎(chǔ)板厚度，（板厚0.1m）；δw—底板之上冰層厚度，因冬季不運行取0mm；其他變量含義同前。

根據(jù)上述計算公式，結(jié)合渠道走向及計算點不同的地下水位，計算出地下水位與對應(yīng)的基土凍脹量、地下水位與對應(yīng)的設(shè)計凍深，結(jié)果見表2。

表1 0+000—4+930渠段設(shè)計凍深與地表土凍脹量計算結(jié)果

表2 0+000-4+930渠段基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層凍脹量計算結(jié)果

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，勝利支干渠渠基土凍脹級別為Ⅰ-Ⅲ級。依據(jù)規(guī)范，當(dāng)渠基土凍脹級別為Ⅲ級及以上時，可采用置換措施防止渠道襯砌板凍脹破壞。但由于受冬季灌溉水及水庫滲漏的影響，地下水位仍有上升可能。另外，由于渠道填筑土料均為低液限粉土，排水性較差，冬季側(cè)向補給水位消散較慢，有可能造成渠道襯砌凍脹破壞，故仍要對其進行防凍脹處理。［2-3］

3 渠道抗凍脹措施比選分析

3.1 抗凍脹措施設(shè)計

根據(jù)上述計算結(jié)果選擇可行的抗凍脹措施，主要有渠基換填措施和保溫措施。

（1）方案1渠基換填措施：換填材料采用風(fēng)積沙，依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》進行抗凍脹設(shè)計，要求粒徑小于0.075mm的顆粒含量不得大于總重量的10%。本區(qū)標準凍深為55.0cm，最大凍深為78.0cm。根據(jù)上文計算結(jié)果，渠床置換比選擇：坡面上部選為60%，下部和渠底為80%。設(shè)計防滲渠換填厚度：渠道陰面的上部和下部換填厚度分別為0.50與0.55m，底面為0.50m，渠道陽面上部與下部分別為0.35和0.45m。

（2）方案2基土保溫法：當(dāng)采用保溫措施抗凍脹時，其材料性能應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求，綜合考慮材料性能、造價等因素，工程選用Ⅲ型聚苯乙烯泡沫塑料板，其性能指標如下：表觀密度≥30kg/m3、壓縮強度（相對變形10%）150kPa、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.039W/（m·K）、尺寸穩(wěn)定性≤2%、吸水率（體積）≤2%［4-5］。保溫材料厚度為：陰面0.10m，渠底0.09m，陽面0.07m。

3.2 方案比選分析

方案1具有較好的整體抗凍效果，并且更換渠基土之后能夠長期保證渠道混凝土不受基礎(chǔ)土引起的凍脹破壞。但為保障工程施工效果，填換渠道基礎(chǔ)土厚度往往較大，施工工程量較多；并且施工后需要對換填土進行夯實，施工難度相應(yīng)增加。方案2的渠道混凝土保溫效果較好，施工不需大斷面開挖，在渠基上進行鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料板，之后的混凝土襯砌只需在苯板上進行即可，施工簡便；但聚苯乙烯泡沫塑料板在運輸及施工中容易破損，不易保存與施工。從經(jīng)濟角度分析，方案1和方案2的單km投資費用分別為32.19萬元和49.77萬元，方案1單km投資費用能夠節(jié)省17.58萬元。綜合工程施工效果及參考灌區(qū)多年來渠道防滲工程經(jīng)驗，且由于苯板極易損壞，工程質(zhì)量保證率低，最終確定工程抗凍脹設(shè)計方案采用方案1（風(fēng)積沙換填層）。

4 渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 封頂板設(shè)計

根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，防滲渠道在邊坡防滲結(jié)構(gòu)頂部應(yīng)設(shè)置封頂板，其寬度為15～30cm。當(dāng)防滲結(jié)構(gòu)下有砂礫石置換層時，封頂板寬度應(yīng)大于防滲結(jié)構(gòu)與置換層的水平向厚度10cm。本設(shè)計中封頂板寬度取40cm，封頂板厚度為6cm，封頂板采用C15砼現(xiàn)澆，封頂板每隔3m設(shè)1道伸縮縫。

4.2 渠道混凝土設(shè)計

渠道設(shè)計為0+000—16+752段采用弧形坡腳梯形斷面，16+752—20+910段采用弧形底梯形斷面，防滲形式均為現(xiàn)澆混凝土+復(fù)合土工膜。渠道全斷面采用C252級配砼現(xiàn)澆，厚度為100mm，抗凍等級為F100，抗?jié)B等級為W6?；炷涟逑落佋O(shè)復(fù)合土工膜（1布1膜，布重200g/m3，膜厚0.3mm），膜下?lián)Q填30～55cm厚的砂礫石。橫向伸縮縫每隔3m設(shè)1條，縫寬2.0cm（等寬）填充形式：上部均采用2cm聚氨酯填縫，下部采用6cm高壓閉孔板填縫。在渠底兩坡腳處及渠道邊坡各設(shè)1道縱向伸縮縫，上部均采用2cm聚氨酯填縫，下部采用6cm高壓閉孔板填縫。沿渠道縱向每隔100m設(shè)1道厚30cm的現(xiàn)澆隔墻，隔墻混凝土強度等級C25，抗凍等級F100，抗?jié)B等級為W6。

5 結(jié)語

寒冷地區(qū)渠道基礎(chǔ)土壤受地區(qū)自然氣溫的影響，所處的狀態(tài)多為凍和融，如渠道設(shè)計中忽略或未進行有效抗凍脹設(shè)計，一般都會遭受不同程度凍脹破壞，渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)被嚴重破壞。因此，為保障灌區(qū)水利工程的長期效益發(fā)揮，灌區(qū)新建渠道設(shè)計必須充分考慮渠道凍脹破壞因素。

［1］李超明.沙井子灌區(qū)渠道襯砌混凝土防凍脹設(shè)計探討［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2009（02）：46-47+50.

［2］王利軍.混凝土渠道抗凍脹設(shè)計及防凍害措施在西北凍土地區(qū)節(jié)水工程中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2009（06）：64-66.

［3］張建，梁小璇.新疆北疆某渠道設(shè)計在實際中的應(yīng)用［J］.工程實踐，2013（03）：62-64.

［4］劉志斌，劉建軍.渠道工程中保溫板防凍脹設(shè)計［J］.人民長江，2012（43）：29-31.

［5］張彥武.聚苯乙烯泡沫板在渠道防凍脹中的運用［J］.甘肅水利水電技術(shù).2009（45）：7-9.

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文章編號：1672-2469（2015）12-0055-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.020

方海霞（1977年—），女，高級工程師。