淺談風積砂在水庫護坡混凝土抗凍脹墊層中的應(yīng)用

保國平

摘 要：針對嚴寒地區(qū)均質(zhì)土壩護坡混凝土凍脹破壞問題，本文通過對莫索灣水庫大壩混凝土護坡抗凍脹設(shè)計及運行效果的總結(jié)，闡述了風積砂作為換填墊層材料，在護坡混凝土抗凍脹處理中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：混凝土護坡 抗凍脹 墊層 風積砂

1.工程概況

莫索灣水庫是一座位于瑪納斯河流域的注入式平原水庫，水庫位于石河子市東北約60km，農(nóng)八師148團東南莫索灣總干渠達字路口閘附近。莫索灣水庫除險加固后總庫容345萬m3，年調(diào)節(jié)水量約500萬m3，水庫工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等。水庫主要任務(wù)是配合上游夾河子水庫、躍進水庫通過莫索灣總干渠向莫索灣灌區(qū)約80萬畝灌溉面積提供補充水源。水庫大壩壩型為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂高程368.5m，最大壩高4.23m，大壩總長2.74km，壩頂寬度3.0m，上、下游壩坡均1：2。

庫區(qū)屬于典型的大陸性氣候，四季氣溫懸殊，夏季炎熱，冬季嚴寒，晝夜溫差大。多年平均氣溫6.1℃，極端最高氣溫43.1℃，極端最低氣溫-42.8℃。最大凍土深度160cm，多年平均最大凍深134cm。

2.工程地質(zhì)狀況

工程區(qū)處于瑪納斯河沖洪積平原中下游區(qū)，地層巖性以第四紀晚更新世—全新世沖洪積堆積的含砂低液限粉土、粉土質(zhì)砂為主，局部夾有低液限粘土透鏡體。水庫現(xiàn)狀壩體巖性主要為低液限粉土，局部由粉土質(zhì)砂組成。壩體低液限粉土含水率19%，孔隙比0.873，塑性指數(shù)8.9，滲透系數(shù)2.5×10-5cm/s，粘粒含量14.9%；粉土質(zhì)砂天然密度1.9g/cm3，干密度1.62g/cm3，含水率17.5%，孔隙比0.664，塑性指數(shù)9.2，滲透系數(shù)1.2×10-4cm/s，粘粒含量11.2%。

壩基土為第四系上更新統(tǒng)一全新統(tǒng)沖洪積含砂低液限粉土和粉土質(zhì)砂，壩基含礫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，塑性指數(shù)9.0，滲透系數(shù)5.4×10-5cm/s，粘粒含量9.8%；壩基粉土質(zhì)砂天然密度1.98g/cm3，干密度1.69g/cm3，含水率17.5%，孔隙比0.69，塑性指數(shù)9.6，滲透系數(shù)8.9×10-5cm/s，粘粒含量14.6%。

根據(jù)壩體加固設(shè)計，壩體加固在現(xiàn)狀壩頂上加高約1.5m。壩體的加固方案為基本保留原壩體，在壩前坡采用土方加高培厚壩體的措施，上游壩坡采用15cm厚C25現(xiàn)澆混凝土防護。加固壩體填筑土料巖性為粉土質(zhì)砂，根據(jù)試驗成果，土料重塑后最大干密度1.62g/cm3，最優(yōu)含水率13.9%，塑限19.2%，滲透系數(shù)4.7×10-6cm/s，粘粒含量8.4%。

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL211—2006）的規(guī)定，土中的粒徑小于0.075mm的土粒含量按重量比大于總土重的10%，應(yīng)判為凍脹性土，否則為不凍脹土。根據(jù)土工試驗成果，場地土中粒徑小于0.075mm的土粒含量按重量比大于總土重的10%，可判為凍脹性土。因此，壩體土凍脹作為混凝土護坡破壞的原因之一，必須采取抗凍脹措施。

3.墊層材料的選擇

地基土產(chǎn)生凍脹的主要因素有三個：土質(zhì)、環(huán)境溫度、土體持水量。地基土細顆粒含量越高凍脹性越強；環(huán)境溫度越低凍脹越厲害；地基土持水量越高凍脹性越強，地基土細顆粒含量越高持水量越大。在環(huán)境溫度無法改變的情況下，解決壩體混凝土護坡板下地基土凍脹破壞的出發(fā)點主要從加強保溫和降低土體含水量考慮。根據(jù)新疆平原水庫及渠道抗凍脹經(jīng)驗，水利工程應(yīng)用較多的措施為換填法和保溫法，尤其以換填法較為普遍。換填法主要是對護坡接觸土體結(jié)構(gòu)進行改變，選用粗顆粒土體置換凍脹性地基土，一方面利用粗顆粒土體持水量小，削弱環(huán)境水的凍脹影響，另一方面利用換填土的大孔隙率降低土體凍脹對混凝土護坡產(chǎn)生的凍脹力，減小甚至消除凍脹破壞。

目前，應(yīng)用比較廣泛的抗凍脹墊層料有砂礫石、風積砂、河砂等，新疆大部分地區(qū)抗凍脹墊層料采用砂礫石。北疆地區(qū)莫索灣、下野地等灌區(qū)地處準葛爾盆地南緣，距砂石料場較遠，但風積砂分布較廣，遍地皆有，在這些地區(qū)防凍害渠道取用風積砂料代替砂礫石料墊層，是缺乏砂礫石料地區(qū)廣泛采用的行之有效的防凍脹措施之一。風積砂的特點：顆粒均勻、粉粘粒含量極少，滲透性能好。莫索灣水庫地處準葛爾盆地南緣，當?shù)仫L積砂料比較豐富，砂礫石料較缺乏，因此，大壩護坡板下?lián)Q填墊層料選用當?shù)夭牧巷L積砂。

4.墊層厚度確定

工程所在地最大凍深為1.6m，地下水埋深平均值為2.5m，根據(jù)規(guī)范，設(shè)計凍深按下式計算：

Zd=ψd·ψw·Zm

式中：Zd——設(shè)計凍深，m；

ψd——日照及遮蔭程度影響系數(shù)，可利用公式ψd=a+（1-a）ψi進行計算，其中ψi為典型斷面某部位i的日照及遮蔭程度修正系數(shù)，陰（或陽）面中部的ψi值的地理位置可由圖B.1.1-2查得，為1.075；系數(shù)a，可根據(jù)建筑物所在氣候區(qū)（由圖B.1.1-3查得）、建筑物計算斷面的軸線走向、斷面形狀及計算點位置由表B1.1-1查得，取0.76；

ψw——地下水修正系數(shù)，

Zm——歷年實測最大凍深，1.6m；

β——系數(shù)，0.63～0.79；

Zw0——鄰近氣象臺的地下水位深度，取Zw0=2.5m；

Zwi——計算點的地下水位深度，取0.75m；

經(jīng)計算，水庫庫區(qū)的設(shè)計凍深為1.37m。

根據(jù)規(guī)范中6.3.2條，防凍墊層最小應(yīng)大于0.8倍設(shè)計凍深，護坡設(shè)計的防凍層厚度計算為0.8×1.37=1.1m，混凝土板厚度0.12m，風積砂墊層厚度為1.1-0.12=0.98m，通過以上方法計算可知，換填厚度較大。通過對北疆平原水庫護坡的調(diào)查可知，護坡下防凍墊層的置換厚度在50cm左右，工程經(jīng)過多年的運行，情況良好。

另外，根據(jù)文獻，墊層厚度普遍采用下式確定：

式中：d——換填厚度；

H——凍結(jié)深度；

根據(jù)奎屯、石河子渠段實測情況，其換填厚度一般可取大于30cm，以30～40cm為宜。

綜合考慮，莫索灣水庫大壩護坡抗凍脹風積砂墊層厚度取50cm。工程經(jīng)過幾年運行，大壩護坡未發(fā)生凍脹破壞，說明風積砂作為抗凍脹墊層材料效果良好。

5.結(jié)論

嚴寒地區(qū)均質(zhì)土壩、渠道護坡混凝土破壞的主要原因之一是地基土凍脹破壞，也是混凝土護坡設(shè)計中必須重視的問題。換填法是解決嚴寒地區(qū)混凝土護坡凍脹破壞行之有效的方法，抗凍脹墊層材料及換填厚度的確定，需因地制宜、認真對待。本文通過對莫索灣水庫大壩混凝土護坡的抗凍脹設(shè)計及運行效果的總結(jié)，認為風積砂作為抗凍脹墊層材料取得了較好的效果。

參考文獻：

[1]朱達夫，林素馨.混凝土襯砌渠道用風積砂作防凍脹墊層的探討.冰川凍土，1986.8（3）：239-244.

[2]周池緒，宋玲，周洪景等雙防風積砂墊層抗凍渠道的若干技術(shù)試驗分析研究.石河子農(nóng)學(xué)院學(xué)報，1996.37：53-58.

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[4]中華人民共和國水利部.中華人民共和國行業(yè)標準.水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范（SL211-2006），中國水利水電出版社，2006.endprint