麦盖提县五零渠防冻胀措施比选

乔冠锋

（喀什地区水利水电勘测设计院，新疆 喀什 844000）

1 问题的提出

麦盖提县五零渠续建配套与节水改造工程全长13.75 km，控制灌溉面积27.6万亩，渠道设计流量为30.5 m3/s，加大流量为34 m3/s，工程规模为大型3级工程。渠道地层岩性主要由粉土和粉细砂组成。五零渠主要承担吐曼塔勒乡、库尔玛乡的引水灌溉任务，同时，还担负着吉仁力玛水库的引水蓄库任务，吉仁力玛水库总库容为3500万m3，兴利库容为3000万m3。五零渠位于塔里木盆地西陲边缘，受高山屏障和干旱性沙漠的影响，属温带大陆干旱性气候，五零渠在地形地貌单元上，属于叶尔羌河中下游冲积平原，渠线大致走向由西南向东北倾斜，地形起伏不大，引水渠全长为13.75 km，本次节水改造长度为13.75 km。工程区多年平均气温11.93℃，极端最高气温38.4℃，极端最低气温-20.3℃，7月最热，平均气温24.8℃，1月最冷，平均气温-5.1℃，按《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL 211-2006）的气候分区，确定属寒冷地区，本区最大冻土深度0.78 m，基础下土的冻胀位移量均超出梯形断面砼板衬砌结构的位移量范围，工程区渠基土为季节性冻土，属于冻胀土，依据《渠道防渗工程技术规范》（SL 18-2004），为防止冻胀破坏，应对该渠道全断面采取防冻胀措施。麦盖提县五零渠续建配套与节水改造工程0+000～13+750段横断面见图1。

图1 麦盖提县五零渠续建配套与节水改造工程0+000～13+750段横断面

麦盖提县五零渠续建配套与节水改造工程位于南疆地区，冻害危害渠道防渗衬砌、影响渠道使用寿命和运行效果的首要因素是基土冻胀，基土防渗效果直接关系到冻胀破坏。就防冻胀措施而言，包括冻胀回避和冻胀削减两种[1]，而该工程所处的南疆地区由于地理位置、气候条件特殊，回避冻胀的可能性不大，只能采取有效措施削减冻胀，力图将渠床基土所可能发生的冻胀量削减至渠道衬砌结构所允许的范围。

2 防冻胀措施的比选

结合当地的建筑材料，现从技术及经济两方面对碎石垫层+砂砾石垫层防冻胀与苯板保温防冻胀两种方案进行比选。

2.1 方案一：碎石垫层+砂砾石垫层的渠基换填措施

按《渠道防渗工程技术规范》规定，当渠基土存在冻胀时，应用非冻胀性土置换渠床原状土，在长期的实践运用过程中，喀什地区的抗冻胀材料主要由砾石垫层、碎石垫层+砂砾石垫层两种型式，因此，本工程可选择碎石垫层+砂砾石垫层作为本工程的抗冻胀材料。当采用碎石垫层+砂砾石垫层作为渠道的抗冻层时，渠床各部位置换深度Ze按下式计算：

《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23-2006）要求粗粒土中粒径小于0.075 mm的土粒重量不得大于土样总重量的10%。根据该规范，换填层厚度采用换填比法计算，即：

式中：Z 为换填厚度，m；Zd为设计冻深，m；δc为防渗层厚度，m；ε为置换比,%。

渠床置换比ε取值见表1。

表1 渠床置换比ε值

本工程换填厚度计算结果见表2。

表2 换填厚度计算表

2.2 方案二：采用聚苯乙烯泡沫塑料的保温措施

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23-2006），对于重要工程或基础采用其他材料保温的工程，保温材料厚度可按下式计算：

式中：δx为保温材料厚度，m；R0为工程保温基础设计热阻值（m2·℃/W）；αw为保温材料的导热系数修正系数，根据聚苯乙烯泡沫塑料板的物理机械性能取为1.1；δc为基础板材料厚度，m，根据横断面设计取0.1m；λx为保温材料在自然状态下的导热系数（W/（m·℃）），取0.039 W/（m·℃）；λc为基础材料的导热系数（W/（m·℃）），根据工程实际情况确定，本工程基础材料采用现浇砼板，查《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23-2006）取1.74 W/（m·℃）；ψd为日照修正系数，取值与抗冻胀设计部分一致；I0为工程地点的冻结指数（℃·d），查相关工程区气象资料取1000℃·d。

经保温材料厚度分析计算，保温聚苯乙烯泡沫塑料板最大厚度按0.12 m计。

2.3 防冻胀措施比较

2.3.1 投资方面

从投资方面比较，对于麦盖提县五零渠换填措施和保温措施进行了经济比较，使用碎石垫层+砂砾石垫层抗冻垫层料时，按150元/m3的价格和15.80万m3的设计用量计算出材料成本为2370万元；平均运距115 km，砂石料运输费用2.50元（/m·35km），故运输费用为1066.5万元。采取砂砾石垫层总投资为3436.5万元。

考虑到保温聚苯乙烯泡沫塑料板最大厚度按0.12 m计，本工程若采用聚苯乙烯泡沫塑料的保温措施的话，应选择具有高阻热、低线性、低膨胀比性能特点的1200 mm×600 mm×50 mm型B1级保温聚苯板[2]，其市场价为380元/m3，按照15.80万m3的设计用量，工程区聚苯板换填措施成本6004万元，远超出砂砾石垫层投资额。所以，采取砂砾石垫层比苯板保温措施更为经济。

表3 保温苯板厚度计算表

2.3.2 防冻垫层料获取

五零渠工程抗冻垫层料使用碎石垫层+砂砾石垫层，设计用量为15.80万m3，从建筑材料获取方面比较，砂砾石垫层可充分利用当地材料（见图2）。根据以往的勘探资料和这次实地勘探，工程所需防冻砂垫层料在依干其度口上游料场按成品方购买，储量为80万m3。根据实地调查资料，砂砾石垫层可在叶尔羌河依盖其渡口上游河床内开采，开采面积为3 km2，有效开采厚度为3.0 m以上，储量大于工程所需量的5倍，砂卵砾石小于0.075 mm的含量平均为4.12，碾压时最大粒径必须小于8cm，相对密度必须大于0.75，平均运距115 km。而苯板须从外地采购，对当地丰富的天然建筑物材料利用率不高。

图2 麦盖提县五零渠防渗改建工程料场地理位置

2.3.3 施工方面

碎石垫层+砂砾石垫层对材料要求严格，压实质量较难控制。在使用苯板保温层时，虽苯板易于安装，但浇筑砼板时需在苯板上铺设3 cm～5 cm砂浆过渡层或铺设两布一膜复合土工布，且渠道边坡系数均为1∶1.75，以增大砼板与苯板之间的磨擦，以利于砼板的浇筑和防止砼板块下滑[3]，从而施工工序复杂，影响施工速度。

由上可知，无论从经济上还是技术上，渠道防冻层采用苯板保温均不适合本工程。因此本工程推荐碎石垫层+砂砾石换填层作为防冻材料。

经对计算数值进行分析，同时结合喀什地区及麦盖提县已实施工程经验，当采用碎石垫层+砂砾石垫层作防冻层，渠道砂砾石垫层按渠道走向的不同分别计算渠底、阴坡及阳坡的渠道换填厚度，在进行设计时除满足渠道抗冻胀设计外，还需满足施工的需要，根据南疆地区的实际情况，麦盖提县五零渠0+000～2+236段、2+236～11+000段和11+000～13+750段阴坡换填厚度分别为40 cm、42 cm、43 cm，渠底换填厚度分别为30 cm、32 cm、29 cm，阳坡换填厚度分别为 44 cm、41 cm、39 cm，并未超过《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23-2006）所允许的换填厚度安全防冻量。

3 结论

综上所述，麦盖提县五零渠续建配套与节水改造工程渠道防冻胀措施选择时从经济可行性、材料的可获得性及施工可行性等方面进行综合比选。本文所提出的碎石垫层+砂砾石垫层防冻胀与苯板保温防冻胀两种方案均具有可行性，但是碎石垫层+砂砾石垫层防冻胀措施成本更低，所需要的碎石、砂砾石可充分利用当地材料，从依干其度口上游料场按成品方购买，而且施工工序比苯板保温防冻胀措施简单，故选择碎石垫层+砂砾石垫层防冻胀措施。