刘继芳

（新疆巴州车尔臣河流域管理处 新疆 巴州 841900）

塔什萨依干渠地处新疆且末县，气温变化剧烈。根据塔什萨依河调查情况和冰情资料分析，塔什萨依干渠工程处多年平均封冻天数为90 d，最长120 d 左右，平均冰厚20 cm 左右，最大冰厚45 cm。为了确保渠系安全运行，在建设中需对冻胀防御问题进行探讨。

1 概况

塔什萨依干渠工程（0+000～25+000 段）位于且末县境内的塔什萨依河上，拟建干渠总长度60.812 km。工程配套建筑物16 座，其中隧洞1 座、沉砂池1 座、跌水9 座、交通桥5 座。干渠设计引水流量为10.5 m3/s，加大引水流量为13 m3/s。

2 地质地貌分析

按地貌形态、结构、地表物质组成，将塔什萨依干渠自南向北分为山前倾斜冲洪积砾质平原区、风积沙漠区、冲积细土平原区。根据勘察情况，将渠道分为三大段。

2.1 砂卵砾石带（渠线0+000～22+900 段）

渠道位于塔什萨依河出山口的冲洪积扇上，地形坡降10‰～20‰，地貌单元为山前倾斜砾质平原，渠道沿线勘探揭露地层主要为第四系上更新统－全新统冲洪积物（Q3＋4al＋pl）地层，根据渠道沿线的地层岩性不同分为两段，现分述如下：

1）0+000～17+650 段：渠线位于塔什萨依河河床以西的戈壁滩上，纵坡较大，地面无植被。该段地层从上至下分为两层：第①层：卵石层（Q4al＋pl），厚约1.30 m～3.50 m，颗粒最大粒径40 cm，分选性差，磨圆度较好，结构稍密～中密，勘探过程中坑壁稳定，局部夹薄层砂层，砾石成份为片麻岩、片岩和砂岩等。第②层：卵石层（Q3al＋pl）厚约2.00 m～8.00 m，勘探深度内未揭穿，颗粒最大粒径50 cm，砾石成份为片麻岩、片岩和砂岩等。

2）17+650～19+720 段：从上至下分为两层：第①层：砾砂层（Q4al＋pl）厚约1.50 m，结构稍密～中密，砾石最大粒径10 cm。该层在自然地面以下0～1.0 m 范围内含较多的石膏及少量芒硝，石膏结晶层，呈散状，层厚2 m～3 cm，局部层厚可达10 cm，建议清除石膏及芒硝层。第②层：砾砂层（Q3al＋pl）厚约2.00 m～2.50 m，砾石最大粒径8 cm，结构密实，勘探过程中坑壁稳定，未见地下水。

3）19+720～22+900 段：从上至下分为两层：第①层：圆砾层（Q4al＋pl）厚约1.60 m～3.20 m，颗粒最大粒径10 cm。该层在自然地面以下0～1.0 m 范围内含较多的石膏及少量芒硝，石膏结晶层，呈散状，层厚2 m～3 cm，局部层厚可达5 cm，建议清除石膏及芒硝层。其中，渠线21+900～22+350 段表层有0.90 m 厚的粉砂层，呈黄色，干，松散。第②层：圆砾层（Q3al＋pl），厚约0.90 m～2.00 m，结构密实，勘探过程中坑壁稳定，未见地下水。

2.2 沙漠带（渠线22+900～57+447 段）

渠道位于风积沙漠带上，渠道沿线勘探揭露地层主要为第四系全新统风积物（Q4eol）地层，渠道沿线为风积形成的地形、地貌，沿线有固定、半固定沙丘、新月型沙丘、复合型纵向沙山和金字塔型沙山等，沙丘高度约10 m～30 m。地貌单元为沙漠带。该段地层为粉砂层，厚度约1.80 m～7.00 m，未揭穿，干～稍湿，上部结构松散，下部结构稍密，勘探过程中坑壁不稳定，易塌方，该层渠道沿线成层稳定，分布均匀。其中，渠线22+900～23+350 段下伏地层岩性为粉土层，厚度约1.8 m，渠线43+740～44+055 段以及45+440～45+945 段表层揭露地层岩性为粉土层厚度约0.5 m～1.0 m，干～稍湿，稍密；渠线23+615～23+750 段揭露地层岩性为砾砂层，呈灰色，干燥，层厚约3.5 m，勘探过程中坑壁稳定，局部夹薄层砂层。该段只有45+647 段勘探点揭露地下水，地下水位埋深约4.95 m，相应的高程为1009.19 m，其它段在1.80 m～7.00 m 勘探深度范围内未见地下水。

2.3 细土带（渠线57+447～61+812 段）

渠道位于塔什萨依河冲积平原上，渠道沿线勘探揭露地层主要为第四系全新统冲积物（Q4al）地层，根据渠道沿线的地层岩性不同分为一段，现分述如下：

渠道沿线为芦苇盐碱地，地层为中砂层，厚度约2.70 m～3.50 m，未揭穿，干～湿，上部结构松散，下部结构稍密，勘探过程中坑壁上部结构不稳定，下部结构基本稳定，该层渠道沿线成层稳定，分布均匀。该段渠道基土最大勘探深度2.70 m～3.50 m 范围内，未见地下水。

3 气温影响分析

塔什萨依河流域地处中纬度地带的欧亚大陆腹地，远离海洋。南有青藏高原、昆仑山及阿尔金山横卧，暖湿空气不易流入；北有天山阻隔，水汽来源很少，仅有干冷空气从东北方袭来。由于受浩瀚沙漠影响，呈现出暖温带极端干旱大陆性荒漠气候景观。多年平均降水量17.6 mm，最大年降水量106.9 mm，最大一日降水量42.9 mm(1986 年7 月22 日)，最小年降水量3.9 mm，年平均蒸发能力2993.6 mm(口径20 cm)，干旱指数为69.1。

总之，塔什萨依河流域春秋季温度变化剧烈，夏季炎热，冬季寒冷。对渠系建筑物影响较大。

4 防冻胀方案设计

本次勘察的渠线渠底和边坡均位于卵石层、圆砾、砾砂、粉砂、粉土及中砂层上。根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23-2006）[1]，细粒土及小于0.075 mm 粒径的土粒重量超过土样总质量的10%的粗粒土为冻胀性土。

根据地质勘察情况可知对本渠道采取防冻措施有两种情况：

（1）在22+900 以前地层岩性以卵砾石和砂砾石为主，为非冻胀性土。因此，此段不考虑防冻设计。（2）在22+900 以后，表层岩性以粉土、粉砂土为主，粉土中粒径小于0.075 mm 颗粒含量为65.5%～78.7%，大于10%，其中小于0.075 mm 颗粒含量为10.7%～25.9%，小于60%，判定为冻胀性土，需增加防冻措施。

设计冻深计算：

式中：Zd为设计冻深，m；φd为日照及遮荫程度影响系数；φw为地下水影响系数；Zm为实测历年最大冻土深度，0.8 m；φi为典型断面某部位的日照及遮荫程度修正系数；α、β 为系数；Zwo为邻近气象台（站）的冻前地下水位深度，m；Zwi为计算点的冻前地下水位深度，m。式中相关参数取值及冻深计算见表1。

表1 设计冻深计算表

当δc≤0.5 m 时，基础设计冻深计算可按下式计算：

式中：Zf为地基土设计冻深，m；Zd为设计冻深，m；δw为冻前底板上的水深，m；δc为涵闸底板（或墙）的厚度，0.10 m。

式中相关参数及计算结果见表2。

表2 基础设计冻深计算表

基础下基土的冻胀量按下式计算：

式中：hf为地基土冻胀量，cm；h 为地表冻胀量，查图后取2.25 cm；Zf为地基土设计冻深,0.79 m；Zd为设计冻深，0.89 m。

经计算，基础下的基土的冻胀量为1.997 cm，混凝土梯形断面的允许法向位移值为5 mm～10 mm，超出了混凝土梯形断面的抗冻胀能力，因此需要采取渠道防冻胀的措施。

本次设计采用两种防冻胀措施进行比选：方案一：采用聚苯乙烯板防冻，本工程为中型渠道，根据《渠道防渗工程技术规范》（GBT 50600-2010）[2]要求，采用聚苯乙烯板保温时其厚度可取设计冻深的1/10～1/15，根据计算，不同部位设计不同的苯板厚度，即底面和边坡下部防冻苯板设计厚度为0.87×1/10=0.87 m，边坡上部防冻苯板设计厚度为0.89×1/15=0.06 m；保温层聚苯乙烯板的厚度取6 cm。

方案二：采用砂砾石垫层换填渠基。换填厚度计算如下：

根据《渠道防渗工程技术规范》，由下式计算置换深度Zn：

式中：Zn为换填厚度，m；ε 为置换比，%，查表取值；δ0为衬砌板厚度，m；Zd为置换部位的设计冻深，m。

计算结果见表3。

表3 换填厚度计算表

方案一、方案二的典型横断面见图1。

图1 两种方案典型横断面对比图

从工程的抗冻设计效果来看，两种方案均能满足设计要求；从投资来看，苯板垫层每100 m 投资为2.52 万元，换填砂砾石垫层每100 m 投资为2.38 万元，即方案一苯板垫层较方案二砂砾石垫层投资高；但从施工来看，方案二施工工期较长，且施工质量不如苯板易控制。通过以上分析，从节省投资的角度出发，同时参考当地的经验，本次设计推荐方案二。由于地质上建议渠线22+900～61+812 段采取相应防冻胀措施，所以22+900 以后渠道下需砂砾石换填，因此，C20 现浇砼板的换填抗冻层的厚度为600 mm，细粒砼砌卵石的换填抗冻层的厚度为300 mm。

5 结语

高寒极冷区，建设水利工程需要考虑防冻胀问题，塔什萨依干渠所处地区正常年景下河段多年平均封冻天数为90 d，平均冰厚20 cm 左右。特别是以粉土、粉砂土为主的22+900 段，特别需要增加防冻措施。通过分析地质、气温的影响，以及两种方案的比选，提出采用换填砂砾石垫层的方式进行抗冻，以确保渠系安全，可为高寒地区水利建筑防冻胀提供借鉴。