灌区续建与节水工程抗冻胀设计探讨

□刘文辉

（乌鲁木齐市水利勘测设计院（有限责任公司）阿克苏分公司）

灌区续建与节水工程抗冻胀设计探讨

□刘文辉

（乌鲁木齐市水利勘测设计院（有限责任公司）阿克苏分公司）

冻胀破坏是制约和影响灌区续建与节水工程质量及效益的重要因素之一，新疆地区干旱缺水、季节温差与昼夜温差较大，渠道冻胀破坏现象更加突出，文章从木扎提河灌区续建与节水工程设计冻深的确定、基土冻胀量的计算以及抗冻胀措施与抗冻胀材料的比选等角度详细研究了该工程抗冻胀设计的流程与关键环节，以期对类似工程提供指导借鉴。

灌区续建；节水工程；抗冻胀；设计冻深

1 工程概况

木扎提河灌区位于新疆阿克苏地区拜城县境内，地理位置东经80°37′～81°45′，北纬41°30′～42°51′，灌区呈条带状分布于木扎提河南北两岸，是拜城县最大的灌区，灌区南北宽25 km，东西长70 km，总土地面积77333hm2。木扎提河灌区是拜城县一个古老的灌区，灌区水资源丰富，适宜种植粮食、油料等作物，新中国成立以前，灌区就已初具规模，至20世纪80年代末，灌区人民在党和政府的领导下，进行大规模土地开发建设，灌区灌溉面积迅速扩大到约13333hm2。由于当时受财力的限制，灌区水利设施极为简陋，灌区作物产量较低，到90年代初期，随着国家水土开发政策的实施，灌区灌溉面积的发展明显加快，截止到目前灌区灌溉面积已发展到25333hm2，灌区灌溉骨架和网络已经形成，并且成立了管理机构。灌区引水渠首目前运行状况良好，随着大型灌区续建配套与节水改造项目的逐年实施，灌区内部已实施项目运行情况良好，但仍有部分渠道工程建设标准低，尤其是干渠以下灌溉渠道防渗率低，水量渗漏严重，冲刷严重，渠系建筑物年久失修，多数存在不同程度的破坏，供水能力大幅度降低，因而对其进行防渗改造是十分必要的。

2 工程抗冻胀设计

2.1 设计冻深计算

式中：Zd——设计冻深（m）；ψd——考虑日照及遮荫程度的修正系数；ψw——地下水影响系数；Zm——历年最大平均冻深，取Zm=89 cm；ψi——典型断面（渠道走向NS，底宽与深度之比B/H=2，坡比m=1）某部位的日照及遮荫程度修正系数，项目区阴、阳面中部的ψi=1.15，底面中部的ψi=1.15；a——系数，与工程所在气候区、计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置有关。在坡比m=1.50，底宽与深度之比B/H=1～2时，NS走向的a值为：阴面、阳面0.38～0.44，底面0.32～0.51；EW走向的a值为阴面0.99～0.97，阳面4.41～4.58，底面0.70～0.73；NE45°走向的a值为阴面0.49，阳面1.79～1.94，底面0.38～0.59；ZW0——邻近气候台（站）的冻前地下水水位深度（m），当黏土、粉土ZW0＞3 m、细粒土质砂ZW0＞2.50 m、含细粒土砂ZW0＞2 m时，可取黏土、粉土ZW0=3 m，细粒土质砂ZW0=2.50 m，含细粒土砂ZW0=2 m；本项目区取2 m；ZWi——计算点的冻前地下水水位深度（m），可取计算点地面（开挖面）至当地冻结前地下水水位的距离；根据本区冻结情况进行取值；β——系数，因渠床土质均以地液限粉土为主，故取β＝0.63。

根据上述计算公式，结合渠道走向及计算点不同的地下水位，算出不同部位的设计冻深，然后画出地下水位与设计冻深关系曲线，各渠道可根据地下水位的不同数值由此曲线上查出各段设计冻深值。

根据上述计算公式，计算渠道不同走向的设计冻深为：

EW方向阳面渠道：Zd=0.38 m；阴面边坡：Zd=0.74 m；渠底部边坡：Zd=0.91 m。

NS走向渠道边坡：Zd=0.86 m；渠底部：Zd=0.86 m。

表1 ψd值计算表

表2 ψw值计算表

NE45°方向阳面渠道：Zd=0.59 m；阴面边坡：Zd=0.69 m；渠底部边坡：Zd=0.86 m。

2.2 计算并分析基土的冻胀量

按照下列公式进行计算：

式中：hf为基土的基本冻胀量（mm）；h为工程地质条件下（即天然冻土层）的实际冻胀量（mm）；Zf为基土以下冻深设计值（m）；Zd为标准层设计冻深（m）；δc为基土层的厚度（m）；δw为冰层在基土以上的厚度（m）。

当边坡系数m=1.50，EW方向时，所求得的冻胀量hf=8 mm，NS方向时，所求得的冻胀量hf=36 mm。结合并对照相应的标准可以看出，工程冻胀量计算值所对应的冻胀等级是Ⅰ、Ⅱ级，与规范所对应的地质条件等级相比，本工程冻胀等级大大超出了允许值，所以，必须采取恰当措施进行抗冻胀处理。

3 抗冻胀处理与抗冻胀材料的比选

3.1 抗冻胀措施

目前本地区常用的抗冻胀措施有两种，一种为置换法，即采用砂砾石或风积沙换填防冻胀；另一种为保温法，即采用聚苯乙烯泡沫塑料板进行保温［2］，两种方法分述如下。

3.1.1 置换法

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》规定，当采用置换措施防止冻胀破坏时，渠床各部位换填深度（即抗冻层厚度）Zn可按下式计算：

式中：ε——换填比（%），坡面顶部ε=60%、坡面底部和渠底ε=80%；δ0——衬砌板厚度（m）；Zd——换填部位的设计冻深（m）。

经计算，各渠道砂砾石防冻体置换厚度如表3。

根据项目区已建工程防冻体厚度，再结合本次工程防冻体计算结果，确定本次工程砂砾石防冻体厚度如下：渠底0.50 m厚，阳坡0.40 m厚，阴坡0.40～0.50 m厚。

3.1.2 保温法

表3 项目区渠道砂砾石防冻体厚度计算表单位：cm

根据《渠道防渗工程技术规范》规定，在防渗结构下设保温层，大型渠道的保温层厚度，通过热工计算确定；中型、小型渠道，采用聚苯乙烯泡沫塑料板保温时，其厚度可取设计冻深的1/10～1/15。经计算，各渠道苯板厚度如表4。

根据项目区已建工程苯板厚度，再结合本次工程计算结果，确定本次工程苯板厚度如下：渠底5 cm厚，边坡5 cm厚。

3.2 抗冻胀材料的比选

项目区地处拜城县木扎提河灌区，渠线所在位置地层岩性以冻胀土为主，若采用砂砾石作为置换层进行防冻处理，则砂砾石需自木扎提河沿线砂料场拉运，比较过程及结果如下：与苯板保温的处理措施相比，采取利用砂砾石进行换填的处理方案，所需完成的工程量约为2318.51 m3，进行施工时，环节复杂，会大大拖慢施工进度，但是具有较好的抗冻胀效果，投资经济，故选择这一方案进行抗冻胀处理。

表4 项目区渠道保温苯板厚度计算表单位：cm

4 结论

冻胀是造成灌区续建与节水工程混凝土板护坡破坏的常见原因之一，也是衬砌渠道设计的关键性技术与因素，文章对木扎提河灌区续建与节水工程抗冻胀设计及所采用的换填及保温措施进行了探讨，采用风积沙作为换填材料，根据工程实际情况，渠线附近的风积沙与砂砾石便可满足工程抗冻材料需求，防冻胀措施采用砂砾石换填防冻胀。

［1］秦江，渭干河灌区改建工程砼板抗冻胀设计［J］，水利科技与经济，2016（5）：36-38.

［2］李朝辉，混凝土板渠道防渗工程中抗冻胀技术措施调查与分析［J］，建筑科技与管理学术交流会，2012（1）：37-38.

S277

B

1673-8853（2017）11-0063-02

刘文辉（1980-），男，工程师，从事水利水电工程设计工作。

2017-8-25

编辑：刘长垠 韦诗佳