四川省西部高原季节性冻土地区渠系工程结构设计

袁 斌，年小刚

（四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，618000，德阳）

四川省西部高原季节性冻土地区渠系工程结构设计

袁 斌，年小刚

（四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，618000，德阳）

川西高海拔地区；季节性冻土；冻胀；冻融

一、工程概况

打火沟水利工程位于四川省甘孜藏族自治州甘孜县，地处青藏高原的东南边缘，高程为3 404.25～3 653.36 m。冬季时间长，夏季时间短，气温变化剧烈，降水量少但蒸发量大，日照时间长，太阳辐射强，气候立体变化显著。历史记录最低气温-28.7℃，最高气温31.7℃。

二、渠基土的冻胀问题

1.渠基土体冻土分类

工程属高海拔地区，土体冻结持续时间为3～4个月，根据《冻土工程地质勘察规范》（GB 50324—2001）附录A中冻土分类标准,工程区土体为高海拔季节性冻土。渠道基础组成物质主要为第四系的上更新统冰水堆积层及全新统坡积堆积层，局部为全新统坡、洪积堆积层，主要成分为粉质黏土、卵砾石土及块碎石土。该工程区位于高寒地区，且工程区常年有冰雪融水，土壤含水丰沛，渠道基础具备产生冻胀破坏的物质条件。

2.工程区季节冻土冻胀性分级

季节冻土冻胀性分级以渠基土体物质组成为基础，综合考虑冻前天然含水量及地下水水位等因素，采用《冻土工程地质勘察规范》（GB 50324—2001）中季节冻土的分级标准，对渠基土进行冻胀性分级。

三、渠道的冻融问题

工程区除冻胀问题外，还存在建筑物自身的冻融问题。该地区昼夜温差较大，可达40℃。由于温度周期性地发生正负变化，冻土层中的地下冰和地下水不断发生相变和位移，使冻土层发生冻胀、融沉、流变等一系列应力变形。混凝土材料在反复低高温作用下，经过多个冻融循环应力的反复作用，最终导致衬砌材料的冻融破坏。

四、针对冻胀及冻融的试验段研究

1.渠身结构形式选择

抗冻胀的研究表明：混凝土衬砌渠道是否产生冻胀破坏，其破坏程度如何，主要取决于渠床的土质条件、土体含水量、负温条件及工程结构形式等因素。如果采取措施消除或改善其中一个因素，就可以减轻或防止衬砌结构的冻胀破坏。

设计人员考察了青海、黑龙江冻土地区灌区工程，他们采取的措施也不尽相同，和四川省高原地区水文地质有不同之处，为了找到一种适合的抗冻胀措施，决定先开展试验段研究。

依据上述原则，对抗冻结构形式采取“抵抗与适应”相结合的办法，断面形式及衬砌材料进行了3种形式的针对性试验：

形式A：明渠采用矩形断面。采用40～50 cm厚（粒径2～8 cm）的碎石料置换冻土层，置换层压实。渠底底板下设置30 cm×30 cm（粒径6～8 cm）碎石纵向排水盲沟，过水断面采用20 cm厚C20（F150、W6）钢筋混凝土衬护防渗。

形式B：明渠采用梯形断面，边坡1∶1不变。采用C20混凝土梯形渠墙护坡，保温措施采用苯板进行保温，阻断土体水与混凝土直接接触。渠底采用C20混凝土弧形底。

形式C：明渠采用梯形断面，边坡1∶1不变。渠底采用C20混凝土弧形底，边坡采用预制混凝土板衬护防渗，即边坡、渠底全部铺二布一膜复合土工膜防渗，边坡采用C20（F150）预制混凝土板，预制板下铺2 cm厚砂浆垫层。坡脚利用现浇混凝土固脚。护坡板横缝平行于设计堤顶，竖缝错开分缝。

2.试验段评价

在对试验段进一步分析的基础上，发现渠基土体含水不能有效排除，是产生冻胀破坏的关键，冻胀力较大，不是单纯依靠混凝土自身强度能抵抗的，必须进行有效排水和消除渠身周边冻胀土。

在综合分析试验段基础上，通过比较，形式A的结构措施取得了很好的效果，没有出现新的破坏。

五、针对冻胀及冻融采取的工程措施

1.渠道形式的选择

经过试验段的比较研究，矩形渠道在抵抗冻胀力方面优于梯形渠道，采用矩形渠道断面形式。矩形渠道的渠体厚度应根据断面尺寸进行计算得出，并配置温度钢筋。

2.渠槽的开挖

应在开挖渠槽的同时开挖好纵横向排水沟，达到有效排水的目的，减弱冻胀形成的因素。渠底中间开挖形成纵向碎石排水盲沟 （30 cm×30 cm），横向排水盲沟每100～300 m与渠堤外集水盲井横向相连，可视具体情况调整间距。

3.换填骨料的选择

经过现场调查了解，垫层料选用含泥量小于6%、粒径为20～80 cm的砂砾石是合适并且易于操作的。砂砾石要求新鲜，且不易风化，在换填土前应用水洗干净，防止泥沙堵塞而影响排水的效果。

4.混凝土及外加剂的要求

按照《渠道防渗工程技术规范》（GB/T 50600—2010）要求，灌区属于寒冷地区。对于所有过水建筑物混凝土均加入抗冻剂，水泥用量按5%加入，按照F150控制。抗渗等级为W6，混凝土水胶比均控制小于0.5。

混凝土的强度、抗渗、抗冻和水灰比要满足要求。混凝土外加剂产品质量必须符合国家标准《混凝土外加剂》（GB 8076—2008）的规定。抗冻混凝土配比应通过试验确定。

5.渠道分缝长度的确定

常规的渠道设计考虑到施工方便及适应变形的需要一般分缝长度为10 m一缝，冻土地区应设计为5 m一缝以适应更大的温度变形。

6.渠道伸缩缝材料的选择

常规的膨胀式填缝材料在极端气温下面临失效的风险。本工程采用双组分聚氨酯密封胶填缝，使用前应对接缝处进行清缝、干燥后再进行粘接。

六、结 语

工程于 2011年展开规模化施工，至2014年共完成了20 km渠道的修建，经历了数个完整的冬春季冻胀及冻融破坏的检验，目前已经通水，实践证明是切实可行的。该工程为在高海拔季节性冻土地区渠道施工提供了宝贵的经验。

[1]冻土工程地质勘察规范（GB 50324—2001）[S].2001.

[2]渠系工程抗冻胀设计规范（SL 23—2006）[S].2006.

[3]渠道防渗工程技术规范（GB/T 50600—2010）[S].2010.

[4]混凝土外加剂（GB 8076—2008）[S]. 2008.

责任编辑 韦凤年

TV672

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1000-1123（2016）18-0044-02

2016－07－21

袁斌，高级工程师，长期从事水利水电工程设计和管理工作。