新疆柳沟灌区南干渠抗冻胀计算及防冻胀材料的选择

王勇 王丽

（新疆奎屯农七师勘测设计研究院（有限公司）新疆奎屯 833200）

新疆柳沟灌区南干渠，位于新疆奎屯的南部地区，现控制着柳沟灌区灌溉面积6 333 hm2，是柳沟灌区一条重要的引水干渠。

根据柳沟灌区气象站10年冻深资料,该区最大冻土深度介于120～140 cm之间,根据《渠系工程抗冻胀设计规范》第10.1条、10.2条规定：在季节冻土标准冻深大于30 cm地区的衬砌渠道和标准冻深大于50 cm地区的渠系及其建筑物，必须按规范要求进行抗冻胀设计。

从柳沟灌区最大冻土深度可以看出，南干渠需要进行抗冻胀计算，同时采取必要的抗冻胀措施。

工程地点标准冻深,是指工程地点邻近气象台（站）的多年冻深平均值,根据柳沟灌区气象站资料,该区满足最大冻深的10年系列资料,选择柳沟灌区的资料比较安全,季节最大冻深140 cm，具有代表性。

1 工程地点的基本资料

2 抗冻胀计算

根据当地气候资料，本地区最大冻深为1.4 m，由地质及测量资料，渠线地层岩性以粉土为主，局部地段夹薄层粉砂、黏土透镜体，为冻胀性土。根据《渠道防渗工程技术规范》（SL18-2004）和《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006）的规定，渠道防渗工程环境同时具备：①土中粒径小于0.05 mm的土粒含量按重量比大于总土重的6%；②标准冻深大于0.1 m；③冻结初期土的含水量大于0.9倍塑限含水量，或地下水位至渠底的埋深小于土的毛管上升高度加设计冻深这三个条件时，应进行抗冻胀设计。

根据取样分析，柳沟灌区南干渠工程环境同时具备上述三个条件，需要进行抗冻胀设计。同时据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006）以及本工程的具体情况，结合以上因素，计算渠基土的冻胀量。

2.1 冻胀量的计算

（1）工程设计冻深按下式计算：

式中：Zd—设计冻深，m；

Ψd—日照及遮荫程度影响系数；

Ψw—地下水影响系数；

Zm—实测历年最大冻深，取1.4 m；

其中：Ψd＝a+（1-a）Ψi

Ψi—日照及遮荫程度修正系数，由图查得，边坡值取1.1，底部取1.1；

a—由表B1.1.1-1查得：

β—系数，查表为0.63；

Zwo—当地或临近气象台的地下水位深度，m；

Zwi—计算点的地下水位深度，m。

根据计算，渠道的设计冻深见下表1。

表1 设计冻深计算表

（2）地表冻胀量

地表冻胀量可依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》查图C.0.2-2,冻前地下水位Zw=1.15 m，设计冻深1.0 m，则工程区地表冻胀量为6.7 cm。

根据冻胀量查表3.0.8《土的冻胀性级别》，地表冻胀量5＜h≤12 cm，工程区地表土的冻胀级别为Ⅲ级。

（3）地基土设计冻深

式中：Zf—地基土设计冻深，m；

δw—冻前底板上面的水深，m；

δc—底板厚度，m；取 0.06 m；

经计算，地基土设计冻深0.95 m。

（4）地基土冻胀量的计算

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》，按下式计算：

hf——基土冻胀量，mm；

h——地表冻胀量；

经计算，地基土冻胀量6.6 cm。

2.2 抗冻胀稳定性判断

渠道衬砌结构的冻胀位移值可按渠道基土的冻胀量确定，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-2006）表4.2.2规定，混凝土衬砌防渗的弧形底梯形渠道允许的位移值为0.5～1 cm；

渠道沿线基土冻胀量为6.6 cm，大于规范规定的允许冻胀量，所以必须采取防冻胀措施。

2.3 采取的抗冻胀措施

目前国内一般采用从适应冻胀、回避冻胀、削减冻胀等三个方面来解决,其具体措施有结构措施、置换措施、排水措施、保温措施、隔水措施、压实措施等。柳沟灌区南干渠经计算其冻胀位移值大于7倍允许冻胀位移值（≤1cm）,且渠床属Ⅲ类冻胀类别,主要采取以下的抗冻胀措施：

①梯形断面、弧形坡脚,现浇砼与预制砼板相结合的结构措施；

②沿渠道水流方向每隔6 m设冻胀变形缝,缝内填充适应当地最低气温时柔性较好的防水材料，如聚氨脂和沥青水泥砂浆的结构措施；

③在地下水高于渠底段（4+950-10+933.5）,采用降低排渠（与防渗渠平行）底高程或者新挖排渠的办法，并保证新挖排渠底低于防渗渠底0.6～1 m，通过降低渠床土的含水量来达到削减冻胀的目的，这样就可以在渠道行水期将渠侧傍渗水排入排渠内,以避免傍渗水浸湿渠床的排水措施。

④采用渠基换填措施或保温措施，保证边坡砌板在冬季输水阶段不产生正、负两个温度区，不发生冻结和变形或变形很小的置换措施。

3 换填层计算

根椐规范要求，在这种寒冷地区防冻胀结构措施可采用渠基换填措施或保温措施。在本地区，渠道抗冻胀措施一般采用较多的是渠基换填的方法，经过在本地区和周边地区的多年运行，实践证明可以有效地防止渠道冻胀破坏，是一种较好的防冻胀措施。

防冻胀换填层厚度计算：

根据《水工建筑物抗冻设计规范》SL211-2006计算换填层厚度，采用下面公式：

式中：ε—置换比%。根据《渠道防渗工程技术规范》SL18-2004，当地下水埋深Zw＜Zd+1.5～2.5m时，对于粉土，坡面上部取50%～60%，坡面下部、底部取60%～80%；

Zd—设计冻深；

δ0—防渗层厚度，边坡防渗层厚度0.06m，底板0.06m；

其计算结果见表2：

表2 换填厚度计算结果表

4 防冻胀换填材料的选择

防冻胀换填就是用砂砾、戈壁石等非冻胀性土料把边坡板下的冻胀性土料换掉，而铺设聚苯乙烯泡沫塑料保温板是通过保温层绝热作用使砌板下的土体不会发生冻结，从而起到防冻胀的作用，有时这两种防冻胀措施还同时采用，要看当地的具体情况而定。

1）砂砾石料换填

农七师柳沟水库南侧公安农场的砂砾石料粒径小于0.05 mm的土粒含量小于总重的6%，料场储量及各项指标均能满足工程需要，平均运距33 km。根据防冻胀换填厚度计算结果，砾石料换填厚度取：渠底0.5 m；边坡阴面0.2～0.5 m；阳面 0.2～0.5 m。

2）聚苯乙烯泡沫塑料保温板保温

根据规范，在保温板强度、压缩系数、吸水率、耐久性等方面满足工程设计要求的前提下，对于中小型渠道，其厚度可取设计冻深的1/10～1/15。

根据设计冻深计算结果，保温板铺设厚度取值为：渠底10 cm；边坡阴面5 cm；阳面5 cm。

3）砾石料+聚苯乙烯泡沫塑料保温板保温

渠道防冻胀换填也可采用砾石料+聚苯乙烯泡沫塑料保温板保温的形式，根据防冻胀换填厚度计算结果，采取：渠底30 cm砾石垫层+2 cm保温板；边坡阴面30～10 cm砾石垫层+2 cm保温板；阳面30～10 cm砾石垫层+2 cm保温板。

三种防冻胀换填形式单位造价比较见表3：

表3 防冻胀材料单位造价比较表

经过比较并结合实际情况，柳沟灌区南干渠防渗改建工程防冻胀换填材料采用砂砾石换填经济可行。

5 运行情况

通过计算比选，柳沟灌区南干渠防冻胀换填材料采用当地的砂砾石，渠道自2006年建成以来，运行良好，没有发生冻胀破坏，说明防冻胀材料的选择比较合理。