浅谈风积砂在水库护坡混凝土抗冻胀垫层中的应用

保国平

摘 要：针对严寒地区均质土坝护坡混凝土冻胀破坏问题，本文通过对莫索湾水库大坝混凝土护坡抗冻胀设计及运行效果的总结，阐述了风积砂作为换填垫层材料，在护坡混凝土抗冻胀处理中的应用效果。

关键词：混凝土护坡 抗冻胀 垫层 风积砂

1.工程概况

莫索湾水库是一座位于玛纳斯河流域的注入式平原水库，水库位于石河子市东北约60km，农八师148团东南莫索湾总干渠达字路口闸附近。莫索湾水库除险加固后总库容345万m3，年调节水量约500万m3，水库工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等。水库主要任务是配合上游夹河子水库、跃进水库通过莫索湾总干渠向莫索湾灌区约80万亩灌溉面积提供补充水源。水库大坝坝型为碾压式均质土坝，坝顶高程368.5m，最大坝高4.23m，大坝总长2.74km，坝顶宽度3.0m，上、下游坝坡均1：2。

库区属于典型的大陆性气候，四季气温悬殊，夏季炎热，冬季严寒，昼夜温差大。多年平均气温6.1℃，极端最高气温43.1℃，极端最低气温-42.8℃。最大冻土深度160cm，多年平均最大冻深134cm。

2.工程地质状况

工程区处于玛纳斯河冲洪积平原中下游区，地层岩性以第四纪晚更新世—全新世冲洪积堆积的含砂低液限粉土、粉土质砂为主，局部夹有低液限粘土透镜体。水库现状坝体岩性主要为低液限粉土，局部由粉土质砂组成。坝体低液限粉土含水率19%，孔隙比0.873，塑性指数8.9，渗透系数2.5×10-5cm/s，粘粒含量14.9%；粉土质砂天然密度1.9g/cm3，干密度1.62g/cm3，含水率17.5%，孔隙比0.664，塑性指数9.2，渗透系数1.2×10-4cm/s，粘粒含量11.2%。

坝基土为第四系上更新统一全新统冲洪积含砂低液限粉土和粉土质砂，坝基含砾低液限粉土天然密度2.06g/cm3，干密度1.76g/cm3，含水率17.2%，孔隙比0.53，塑性指数9.0，渗透系数5.4×10-5cm/s，粘粒含量9.8%；坝基粉土质砂天然密度1.98g/cm3，干密度1.69g/cm3，含水率17.5%，孔隙比0.69，塑性指数9.6，渗透系数8.9×10-5cm/s，粘粒含量14.6%。

根据坝体加固设计，坝体加固在现状坝顶上加高约1.5m。坝体的加固方案为基本保留原坝体，在坝前坡采用土方加高培厚坝体的措施，上游坝坡采用15cm厚C25现浇混凝土防护。加固坝体填筑土料岩性为粉土质砂，根据试验成果，土料重塑后最大干密度1.62g/cm3，最优含水率13.9%，塑限19.2%，渗透系数4.7×10-6cm/s，粘粒含量8.4%。

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211—2006）的规定，土中的粒径小于0.075mm的土粒含量按重量比大于总土重的10%，应判为冻胀性土，否则为不冻胀土。根据土工试验成果，场地土中粒径小于0.075mm的土粒含量按重量比大于总土重的10%，可判为冻胀性土。因此，坝体土冻胀作为混凝土护坡破坏的原因之一，必须采取抗冻胀措施。

3.垫层材料的选择

地基土产生冻胀的主要因素有三个：土质、环境温度、土体持水量。地基土细颗粒含量越高冻胀性越强；环境温度越低冻胀越厉害；地基土持水量越高冻胀性越强，地基土细颗粒含量越高持水量越大。在环境温度无法改变的情况下，解决坝体混凝土护坡板下地基土冻胀破坏的出发点主要从加强保温和降低土体含水量考虑。根据新疆平原水库及渠道抗冻胀经验，水利工程应用较多的措施为换填法和保温法，尤其以换填法较为普遍。换填法主要是对护坡接触土体结构进行改变，选用粗颗粒土体置换冻胀性地基土，一方面利用粗颗粒土体持水量小，削弱环境水的冻胀影响，另一方面利用换填土的大孔隙率降低土体冻胀对混凝土护坡产生的冻胀力，减小甚至消除冻胀破坏。

目前，应用比较广泛的抗冻胀垫层料有砂砾石、风积砂、河砂等，新疆大部分地区抗冻胀垫层料采用砂砾石。北疆地区莫索湾、下野地等灌区地处准葛尔盆地南缘，距砂石料场较远，但风积砂分布较广，遍地皆有，在这些地区防冻害渠道取用风积砂料代替砂砾石料垫层，是缺乏砂砾石料地区广泛采用的行之有效的防冻胀措施之一。风积砂的特点：颗粒均匀、粉粘粒含量极少，渗透性能好。莫索湾水库地处准葛尔盆地南缘，当地风积砂料比较丰富，砂砾石料较缺乏，因此，大坝护坡板下换填垫层料选用当地材料风积砂。

4.垫层厚度确定

工程所在地最大冻深为1.6m，地下水埋深平均值为2.5m，根据规范，设计冻深按下式计算：

Zd=ψd·ψw·Zm

式中：Zd——设计冻深，m；

ψd——日照及遮荫程度影响系数，可利用公式ψd=a+（1-a）ψi进行计算，其中ψi为典型断面某部位i的日照及遮荫程度修正系数，阴（或阳）面中部的ψi值的地理位置可由图B.1.1-2查得，为1.075；系数a，可根据建筑物所在气候区（由图B.1.1-3查得）、建筑物计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置由表B1.1-1查得，取0.76；

ψw——地下水修正系数，

Zm——历年实测最大冻深，1.6m；

β——系数，0.63～0.79；

Zw0——邻近气象台的地下水位深度，取Zw0=2.5m；

Zwi——计算点的地下水位深度，取0.75m；

经计算，水库库区的设计冻深为1.37m。

根据规范中6.3.2条，防冻垫层最小应大于0.8倍设计冻深，护坡设计的防冻层厚度计算为0.8×1.37=1.1m，混凝土板厚度0.12m，风积砂垫层厚度为1.1-0.12=0.98m，通过以上方法计算可知，换填厚度较大。通过对北疆平原水库护坡的调查可知，护坡下防冻垫层的置换厚度在50cm左右，工程经过多年的运行，情况良好。

另外，根据文献，垫层厚度普遍采用下式确定：

式中：d——换填厚度；

H——冻结深度；

根据奎屯、石河子渠段实测情况，其换填厚度一般可取大于30cm，以30～40cm为宜。

综合考虑，莫索湾水库大坝护坡抗冻胀风积砂垫层厚度取50cm。工程经过几年运行，大坝护坡未发生冻胀破坏，说明风积砂作为抗冻胀垫层材料效果良好。

5.结论

严寒地区均质土坝、渠道护坡混凝土破坏的主要原因之一是地基土冻胀破坏，也是混凝土护坡设计中必须重视的问题。换填法是解决严寒地区混凝土护坡冻胀破坏行之有效的方法，抗冻胀垫层材料及换填厚度的确定，需因地制宜、认真对待。本文通过对莫索湾水库大坝混凝土护坡的抗冻胀设计及运行效果的总结，认为风积砂作为抗冻胀垫层材料取得了较好的效果。

参考文献：

[1]朱达夫，林素馨.混凝土衬砌渠道用风积砂作防冻胀垫层的探讨.冰川冻土，1986.8（3）：239-244.

[2]周池绪，宋玲，周洪景等双防风积砂垫层抗冻渠道的若干技术试验分析研究.石河子农学院学报，1996.37：53-58.

[3]中华人民共和国水利部.中华人民共和国行业标准.碾压土石坝设计规范（SL274-2001），中国水利水电出版社，2002.

[4]中华人民共和国水利部.中华人民共和国行业标准.水工建筑物抗冰冻设计规范（SL211-2006），中国水利水电出版社，2006.endprint