麥蓋提縣五零渠防凍脹措施比選

喬冠鋒

（喀什地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 喀什 844000）

1 問題的提出

麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程全長13.75 km，控制灌溉面積27.6萬畝，渠道設(shè)計流量為30.5 m3/s，加大流量為34 m3/s，工程規(guī)模為大型3級工程。渠道地層巖性主要由粉土和粉細砂組成。五零渠主要承擔吐曼塔勒鄉(xiāng)、庫爾瑪鄉(xiāng)的引水灌溉任務(wù)，同時，還擔負著吉仁力瑪水庫的引水蓄庫任務(wù)，吉仁力瑪水庫總庫容為3500萬m3，興利庫容為3000萬m3。五零渠位于塔里木盆地西陲邊緣，受高山屏障和干旱性沙漠的影響，屬溫帶大陸干旱性氣候，五零渠在地形地貌單元上，屬于葉爾羌河中下游沖積平原，渠線大致走向由西南向東北傾斜，地形起伏不大，引水渠全長為13.75 km，本次節(jié)水改造長度為13.75 km。工程區(qū)多年平均氣溫11.93℃，極端最高氣溫38.4℃，極端最低氣溫-20.3℃，7月最熱，平均氣溫24.8℃，1月最冷，平均氣溫-5.1℃，按《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（SL 211-2006）的氣候分區(qū)，確定屬寒冷地區(qū)，本區(qū)最大凍土深度0.78 m，基礎(chǔ)下土的凍脹位移量均超出梯形斷面砼板襯砌結(jié)構(gòu)的位移量范圍，工程區(qū)渠基土為季節(jié)性凍土，屬于凍脹土，依據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL 18-2004），為防止凍脹破壞，應(yīng)對該渠道全斷面采取防凍脹措施。麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程0+000～13+750段橫斷面見圖1。

圖1 麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程0+000～13+750段橫斷面

麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程位于南疆地區(qū)，凍害危害渠道防滲襯砌、影響渠道使用壽命和運行效果的首要因素是基土凍脹，基土防滲效果直接關(guān)系到凍脹破壞。就防凍脹措施而言，包括凍脹回避和凍脹削減兩種[1]，而該工程所處的南疆地區(qū)由于地理位置、氣候條件特殊，回避凍脹的可能性不大，只能采取有效措施削減凍脹，力圖將渠床基土所可能發(fā)生的凍脹量削減至渠道襯砌結(jié)構(gòu)所允許的范圍。

2 防凍脹措施的比選

結(jié)合當?shù)氐慕ㄖ牧希F(xiàn)從技術(shù)及經(jīng)濟兩方面對碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹與苯板保溫防凍脹兩種方案進行比選。

2.1 方案一：碎石墊層+砂礫石墊層的渠基換填措施

按《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，當渠基土存在凍脹時，應(yīng)用非凍脹性土置換渠床原狀土，在長期的實踐運用過程中，喀什地區(qū)的抗凍脹材料主要由礫石墊層、碎石墊層+砂礫石墊層兩種型式，因此，本工程可選擇碎石墊層+砂礫石墊層作為本工程的抗凍脹材料。當采用碎石墊層+砂礫石墊層作為渠道的抗凍層時，渠床各部位置換深度Ze按下式計算：

《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL 23-2006）要求粗粒土中粒徑小于0.075 mm的土粒重量不得大于土樣總重量的10%。根據(jù)該規(guī)范，換填層厚度采用換填比法計算，即：

式中：Z 為換填厚度，m；Zd為設(shè)計凍深，m；δc為防滲層厚度，m；ε為置換比,%。

渠床置換比ε取值見表1。

表1 渠床置換比ε值

本工程換填厚度計算結(jié)果見表2。

表2 換填厚度計算表

2.2 方案二：采用聚苯乙烯泡沫塑料的保溫措施

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL 23-2006），對于重要工程或基礎(chǔ)采用其他材料保溫的工程，保溫材料厚度可按下式計算：

式中：δx為保溫材料厚度，m；R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計熱阻值（m2·℃/W）；αw為保溫材料的導熱系數(shù)修正系數(shù)，根據(jù)聚苯乙烯泡沫塑料板的物理機械性能取為1.1；δc為基礎(chǔ)板材料厚度，m，根據(jù)橫斷面設(shè)計取0.1m；λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導熱系數(shù)（W/（m·℃）），取0.039 W/（m·℃）；λc為基礎(chǔ)材料的導熱系數(shù)（W/（m·℃）），根據(jù)工程實際情況確定，本工程基礎(chǔ)材料采用現(xiàn)澆砼板，查《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL 23-2006）取1.74 W/（m·℃）；ψd為日照修正系數(shù)，取值與抗凍脹設(shè)計部分一致；I0為工程地點的凍結(jié)指數(shù)（℃·d），查相關(guān)工程區(qū)氣象資料取1000℃·d。

經(jīng)保溫材料厚度分析計算，保溫聚苯乙烯泡沫塑料板最大厚度按0.12 m計。

2.3 防凍脹措施比較

2.3.1 投資方面

從投資方面比較，對于麥蓋提縣五零渠換填措施和保溫措施進行了經(jīng)濟比較，使用碎石墊層+砂礫石墊層抗凍墊層料時，按150元/m3的價格和15.80萬m3的設(shè)計用量計算出材料成本為2370萬元；平均運距115 km，砂石料運輸費用2.50元（/m·35km），故運輸費用為1066.5萬元。采取砂礫石墊層總投資為3436.5萬元。

考慮到保溫聚苯乙烯泡沫塑料板最大厚度按0.12 m計，本工程若采用聚苯乙烯泡沫塑料的保溫措施的話，應(yīng)選擇具有高阻熱、低線性、低膨脹比性能特點的1200 mm×600 mm×50 mm型B1級保溫聚苯板[2]，其市場價為380元/m3，按照15.80萬m3的設(shè)計用量，工程區(qū)聚苯板換填措施成本6004萬元，遠超出砂礫石墊層投資額。所以，采取砂礫石墊層比苯板保溫措施更為經(jīng)濟。

表3 保溫苯板厚度計算表

2.3.2 防凍墊層料獲取

五零渠工程抗凍墊層料使用碎石墊層+砂礫石墊層，設(shè)計用量為15.80萬m3，從建筑材料獲取方面比較，砂礫石墊層可充分利用當?shù)夭牧希ㄒ妶D2）。根據(jù)以往的勘探資料和這次實地勘探，工程所需防凍砂墊層料在依干其度口上游料場按成品方購買，儲量為80萬m3。根據(jù)實地調(diào)查資料，砂礫石墊層可在葉爾羌河依蓋其渡口上游河床內(nèi)開采，開采面積為3 km2，有效開采厚度為3.0 m以上，儲量大于工程所需量的5倍，砂卵礫石小于0.075 mm的含量平均為4.12，碾壓時最大粒徑必須小于8cm，相對密度必須大于0.75，平均運距115 km。而苯板須從外地采購，對當?shù)刎S富的天然建筑物材料利用率不高。

圖2 麥蓋提縣五零渠防滲改建工程料場地理位置

2.3.3 施工方面

碎石墊層+砂礫石墊層對材料要求嚴格，壓實質(zhì)量較難控制。在使用苯板保溫層時，雖苯板易于安裝，但澆筑砼板時需在苯板上鋪設(shè)3 cm～5 cm砂漿過渡層或鋪設(shè)兩布一膜復合土工布，且渠道邊坡系數(shù)均為1∶1.75，以增大砼板與苯板之間的磨擦，以利于砼板的澆筑和防止砼板塊下滑[3]，從而施工工序復雜，影響施工速度。

由上可知，無論從經(jīng)濟上還是技術(shù)上，渠道防凍層采用苯板保溫均不適合本工程。因此本工程推薦碎石墊層+砂礫石換填層作為防凍材料。

經(jīng)對計算數(shù)值進行分析，同時結(jié)合喀什地區(qū)及麥蓋提縣已實施工程經(jīng)驗，當采用碎石墊層+砂礫石墊層作防凍層，渠道砂礫石墊層按渠道走向的不同分別計算渠底、陰坡及陽坡的渠道換填厚度，在進行設(shè)計時除滿足渠道抗凍脹設(shè)計外，還需滿足施工的需要，根據(jù)南疆地區(qū)的實際情況，麥蓋提縣五零渠0+000～2+236段、2+236～11+000段和11+000～13+750段陰坡?lián)Q填厚度分別為40 cm、42 cm、43 cm，渠底換填厚度分別為30 cm、32 cm、29 cm，陽坡?lián)Q填厚度分別為 44 cm、41 cm、39 cm，并未超過《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL 23-2006）所允許的換填厚度安全防凍量。

3 結(jié)論

綜上所述，麥蓋提縣五零渠續(xù)建配套與節(jié)水改造工程渠道防凍脹措施選擇時從經(jīng)濟可行性、材料的可獲得性及施工可行性等方面進行綜合比選。本文所提出的碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹與苯板保溫防凍脹兩種方案均具有可行性，但是碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹措施成本更低，所需要的碎石、砂礫石可充分利用當?shù)夭牧希瑥囊栏善涠瓤谏嫌瘟蠄霭闯善贩劫徺I，而且施工工序比苯板保溫防凍脹措施簡單，故選擇碎石墊層+砂礫石墊層防凍脹措施。