烏魯卻勒干渠改建渠道抗凍脹設(shè)計(jì)

趙敬和

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000）

1 工程概況

烏魯卻勒干渠位于新疆阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣，阿瓦提縣灌區(qū)多年氣溫平均為10.5℃，極端最高和最低溫度分別為39.4℃、-27℃。多年平均降水量47.8 mm，且年內(nèi)變化大，分配不均。夏季5 月～8 月降水占年總降水量的72%，降水量最少的冬季僅占4.4%。灌區(qū)蒸發(fā)量大，多年平均蒸發(fā)量1162.2 mm。多年平均風(fēng)速1.9 m/s，歷年最大風(fēng)速14 m/s，多出現(xiàn)在春夏兩季，并伴有沙塵、浮土和低溫天氣。項(xiàng)目區(qū)最大凍土深度62 cm。為滿足阿瓦提縣灌區(qū)灌溉用水的需要，烏魯卻勒干渠在阿拉爾閘下游玉滿總干渠中段3.984 km 處新建節(jié)制分水閘，向南新建4.618 km 渠道進(jìn)入原塔木托格拉克干排，然后利用干排渠線新建渠道，末端投入哈拉塔閘閘后現(xiàn)狀烏魯卻勒干渠，同時(shí)對(duì)烏魯卻勒干渠進(jìn)行改建。本方案新建及改建烏魯卻勒干渠22.247 km。

烏魯卻勒干渠改建工程區(qū)屬于季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)，季節(jié)性?xún)鐾翗?biāo)準(zhǔn)凍深0.6 m～0.8 m，渠堤和渠基土以低液限粉土、低液限黏土和粉土質(zhì)砂為主，由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，低液限粉土、低液限黏土和粉土質(zhì)砂小于0.075 mm 的顆粒含量均大于10%，根據(jù)《水工建筑物抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范》中“土中粒徑小于0.075 mm 的土粒的質(zhì)量大于總質(zhì)量10%的土為凍脹性土”的規(guī)定，判定本工程渠堤和渠基土均為凍脹性土，建議工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的抗凍脹措施。

2 改建渠道抗凍脹設(shè)計(jì)

本次改建渠道位于凍土區(qū)，凍脹性土地層巖性特征較為明顯，工程區(qū)歷年水文氣象資料表明，區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)凍土深度至少為0.1 m，為此，必須對(duì)烏魯卻勒干渠渠道進(jìn)行抗凍脹設(shè)計(jì)[1]。

2.1 設(shè)計(jì)凍深計(jì)算

設(shè)計(jì)凍深按下式計(jì)算：

式中：Zd為設(shè)計(jì)凍深（m）；ψd為工程區(qū)日照和遮蔭情況的修正系數(shù)；ψw為烏魯卻勒干渠渠道凍脹受區(qū)域地下水影響的程度系數(shù)；Zm為歷年工程區(qū)渠道凍深最大值，根據(jù)所獲取工程區(qū)資料，Zm取62 cm；ψi為烏魯卻勒干渠典型斷面考慮日照和遮蔭程度的修正系數(shù)，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣候資料可得烏魯卻勒干渠渠道陰、陽(yáng)面和底面中部ψi均取1.15；a 為系數(shù)，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣候資料、干渠渠道設(shè)計(jì)斷面軸線走向、計(jì)算點(diǎn)位置等，查中國(guó)氣候區(qū)劃圖得，具體取值情況見(jiàn)表1。

表1 烏魯卻勒干渠渠道系數(shù)a 取值表

ZW0為鄰近氣候站非凍結(jié)期內(nèi)地下水水位埋深，對(duì)于項(xiàng)目區(qū)黏土、粉土地層ZW0至少取3.0 m；細(xì)粒土質(zhì)砂地層ZW0至少取2.5 m；含細(xì)粒土砂地層ZW0至少取2.0 m，為保證渠道抗凍脹設(shè)計(jì)效果，黏土、粉土地層、細(xì)粒土質(zhì)砂地層和含細(xì)粒土砂地層ZW0分別取3.0 m、2.5 m、2.0 m。ZWi為設(shè)計(jì)點(diǎn)非凍結(jié)期內(nèi)地下水水位埋深，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際凍土及凍結(jié)情況取值。β 為渠道渠床土質(zhì)系數(shù)，因?yàn)豸攨s勒干渠渠床主要為砂壤土土質(zhì)，取0.63。

根據(jù)式（1）～式（3）以及烏魯卻勒干渠渠道走向和地下水位具體埋深情況，計(jì)算干渠渠道設(shè)計(jì)凍深，烏魯卻勒干渠渠道設(shè)計(jì)凍深與地下水位埋深的計(jì)算結(jié)果和數(shù)量關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 烏魯卻勒干渠渠道設(shè)計(jì)凍深與地下水位埋深的數(shù)量關(guān)系

結(jié)合以上所計(jì)算得烏魯卻勒干渠渠道凍深設(shè)計(jì)值與地下水位埋深的數(shù)量關(guān)系，通過(guò)查干渠渠道歷年凍深設(shè)計(jì)值，確定本干渠工程凍深設(shè)計(jì)值為：N-S 走向渠道邊坡0.69 m，渠底0.70 m；E-W 走向渠道陽(yáng)坡0.3 m，陰坡0.82 m，渠底0.66 m；NE45°走向渠道陽(yáng)坡0.54 m，陰坡0.77 m，渠底0.67 m。

2.2 渠基土凍脹量

烏魯卻勒干渠渠道基土凍脹量計(jì)算公式為：

式中：hf為烏魯卻勒干渠渠基凍脹量，mm；h 為項(xiàng)目區(qū)天然凍土層凍脹量，mm；Zf為渠基凍深設(shè)計(jì)值，m；δc為基礎(chǔ)砼板厚度，m；δw為底板冰層厚度，m。

將烏魯卻勒干渠渠道實(shí)際數(shù)據(jù)帶入式（4）和式（5），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，烏魯卻勒干渠渠道地基土凍脹量在3 mm～50 mm 范圍，由《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，干渠渠道基土屬于Ⅳ級(jí)凍脹，對(duì)于梯形渠道斷面，砼襯砌結(jié)構(gòu)和漿砌石襯砌結(jié)構(gòu)法向位移允許值分別為5 mm～10 mm 和10 mm～30 mm，因?yàn)豸攨s勒干渠渠道襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際凍脹位移比規(guī)范允許的法向位移大，所以必須進(jìn)行抗凍脹處理[2]。

表3 烏魯卻勒干渠渠道凍脹量與地下水位埋深的數(shù)量關(guān)系

3 渠道抗凍脹處理

為保證抗凍脹處理效果，首先應(yīng)進(jìn)行烏魯卻勒干渠渠床凍土部分的換填，換填深度按下式確定：

式中：ε 為換填比，查《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》換填比表得坡面頂部、底部和渠底ε 分別取0.60～0.80 和0.80～1.0；δ0為襯砌板厚度，m。

當(dāng)不考慮砼板襯砌厚度δ0時(shí)渠道防凍層置換厚度為：

N-S 走向渠道邊坡0.48 m；渠底0.6 m；E-W 走向渠道陽(yáng)坡0.16 m；陰坡0.58 m；渠道底面：Zd=0.56 m。NE45°走向渠道陽(yáng)坡：Zd=0.35 m；陰坡：Zd=0.54 m；渠道底面：Zd=0.44 m。根據(jù)渠道砼板襯砌厚度，并從方便工程施工的角度考慮，如采用置換法時(shí)改建渠道防凍層厚度Ze均取50 cm。

在確定出烏魯卻勒干渠渠道凍土置換層厚度的基礎(chǔ)上，還應(yīng)采用聚苯乙烯泡沫塑料板進(jìn)行保溫處理，其厚度D 為：

式中：Zd為設(shè)計(jì)凍深值；渠道邊坡：Zd=0.58 m；坡面底部及渠道底面：Zd=0.60 m。對(duì)于N-S 走向的渠道邊坡計(jì)算得D=3.9 cm～5.8 cm，渠道底面：D=4.0 cm～6.0 cm。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，考慮剛性襯砌材料的厚度，渠道底部、陽(yáng)坡和陰坡保溫苯板厚度初步確定為6 mm。

4 抗凍脹材料比選

根據(jù)本次建筑材料調(diào)查，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)防凍體墊層料只有天然砂礫石料和常規(guī)的中密度苯板，本次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行防凍材料經(jīng)濟(jì)比較。

天然砂礫石料從阿克蘇西大橋砂石料場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)拉運(yùn)，料場(chǎng)位于西大橋處314 國(guó)道以下約3 km 處，距烏魯卻勒干渠平均運(yùn)距為75 km；苯板需從阿克蘇市苯板廠進(jìn)行采購(gòu)，距烏魯卻勒干渠平均運(yùn)距為85 km。

根據(jù)以上運(yùn)距，對(duì)烏魯卻勒干渠改建渠道設(shè)計(jì)橫斷面形式以上兩種置換防凍保溫材料進(jìn)行比較，具體比較結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 項(xiàng)目區(qū)渠道防凍保溫材料方案比較表

根據(jù)比選表對(duì)兩種抗凍材料的比選，從材料來(lái)源、工程量、施工難易程度、適用范圍、防凍脹效果、投資等方面進(jìn)行比選，結(jié)合本項(xiàng)目工程的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)推薦采用質(zhì)量滿足要求、邊坡穩(wěn)定性較好且工程投資較低的砂礫石作為抗凍脹材料。

5 結(jié)論

烏魯卻勒干渠改建渠道抗凍脹實(shí)踐表明，渠道抗凍脹設(shè)計(jì)必須注重渠、路、溝的結(jié)合，對(duì)于地下水埋深淺且在渠底凍深范圍以?xún)?nèi)的渠道，排水條件不良的情況下，必須進(jìn)行保溫和壓實(shí)處理，減少凍深，采用砼預(yù)制板下鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板的襯砌結(jié)構(gòu)型式；對(duì)于地下水埋深淺且低于渠底凍深范圍的渠道，應(yīng)通過(guò)砂礫料換填，阻截土壤毛細(xì)管影響，并采用砼預(yù)制板下鋪設(shè)防滲薄膜的襯砌型式。在渠道運(yùn)行管理方面，必須加強(qiáng)冬灌結(jié)束時(shí)間的控制，并在冬灌結(jié)束后立即排空灌渠內(nèi)積水，清除渠道淤泥，防止積水結(jié)冰而導(dǎo)致渠道凍脹破壞。