赵敬和

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域阿克苏管理局，新疆 阿克苏 843000）

1 工程概况

乌鲁却勒干渠位于新疆阿克苏地区阿瓦提县，阿瓦提县灌区多年气温平均为10.5℃，极端最高和最低温度分别为39.4℃、-27℃。多年平均降水量47.8 mm，且年内变化大，分配不均。夏季5 月～8 月降水占年总降水量的72%，降水量最少的冬季仅占4.4%。灌区蒸发量大，多年平均蒸发量1162.2 mm。多年平均风速1.9 m/s，历年最大风速14 m/s，多出现在春夏两季，并伴有沙尘、浮土和低温天气。项目区最大冻土深度62 cm。为满足阿瓦提县灌区灌溉用水的需要，乌鲁却勒干渠在阿拉尔闸下游玉满总干渠中段3.984 km 处新建节制分水闸，向南新建4.618 km 渠道进入原塔木托格拉克干排，然后利用干排渠线新建渠道，末端投入哈拉塔闸闸后现状乌鲁却勒干渠，同时对乌鲁却勒干渠进行改建。本方案新建及改建乌鲁却勒干渠22.247 km。

乌鲁却勒干渠改建工程区属于季节性冻土地区，季节性冻土标准冻深0.6 m～0.8 m，渠堤和渠基土以低液限粉土、低液限黏土和粉土质砂为主，由室内试验结果可知，低液限粉土、低液限黏土和粉土质砂小于0.075 mm 的颗粒含量均大于10%，根据《水工建筑物抗冻设计规范》中“土中粒径小于0.075 mm 的土粒的质量大于总质量10%的土为冻胀性土”的规定，判定本工程渠堤和渠基土均为冻胀性土，建议工程设计时应采取相应的抗冻胀措施。

2 改建渠道抗冻胀设计

本次改建渠道位于冻土区，冻胀性土地层岩性特征较为明显，工程区历年水文气象资料表明，区域标准冻土深度至少为0.1 m，为此，必须对乌鲁却勒干渠渠道进行抗冻胀设计[1]。

2.1 设计冻深计算

设计冻深按下式计算：

式中：Zd为设计冻深（m）；ψd为工程区日照和遮荫情况的修正系数；ψw为乌鲁却勒干渠渠道冻胀受区域地下水影响的程度系数；Zm为历年工程区渠道冻深最大值，根据所获取工程区资料，Zm取62 cm；ψi为乌鲁却勒干渠典型断面考虑日照和遮荫程度的修正系数，根据项目区气候资料可得乌鲁却勒干渠渠道阴、阳面和底面中部ψi均取1.15；a 为系数，根据项目区气候资料、干渠渠道设计断面轴线走向、计算点位置等，查中国气候区划图得，具体取值情况见表1。

表1 乌鲁却勒干渠渠道系数a 取值表

ZW0为邻近气候站非冻结期内地下水水位埋深，对于项目区黏土、粉土地层ZW0至少取3.0 m；细粒土质砂地层ZW0至少取2.5 m；含细粒土砂地层ZW0至少取2.0 m，为保证渠道抗冻胀设计效果，黏土、粉土地层、细粒土质砂地层和含细粒土砂地层ZW0分别取3.0 m、2.5 m、2.0 m。ZWi为设计点非冻结期内地下水水位埋深，根据项目区实际冻土及冻结情况取值。β 为渠道渠床土质系数，因乌鲁却勒干渠渠床主要为砂壤土土质，取0.63。

根据式（1）～式（3）以及乌鲁却勒干渠渠道走向和地下水位具体埋深情况，计算干渠渠道设计冻深，乌鲁却勒干渠渠道设计冻深与地下水位埋深的计算结果和数量关系见表2。

表2 乌鲁却勒干渠渠道设计冻深与地下水位埋深的数量关系

结合以上所计算得乌鲁却勒干渠渠道冻深设计值与地下水位埋深的数量关系，通过查干渠渠道历年冻深设计值，确定本干渠工程冻深设计值为：N-S 走向渠道边坡0.69 m，渠底0.70 m；E-W 走向渠道阳坡0.3 m，阴坡0.82 m，渠底0.66 m；NE45°走向渠道阳坡0.54 m，阴坡0.77 m，渠底0.67 m。

2.2 渠基土冻胀量

乌鲁却勒干渠渠道基土冻胀量计算公式为：

式中：hf为乌鲁却勒干渠渠基冻胀量，mm；h 为项目区天然冻土层冻胀量，mm；Zf为渠基冻深设计值，m；δc为基础砼板厚度，m；δw为底板冰层厚度，m。

将乌鲁却勒干渠渠道实际数据带入式（4）和式（5），计算结果见表3。

根据计算结果，乌鲁却勒干渠渠道地基土冻胀量在3 mm～50 mm 范围，由《渠系工程抗冻胀设计规范》可知，干渠渠道基土属于Ⅳ级冻胀，对于梯形渠道断面，砼衬砌结构和浆砌石衬砌结构法向位移允许值分别为5 mm～10 mm 和10 mm～30 mm，因乌鲁却勒干渠渠道衬砌结构实际冻胀位移比规范允许的法向位移大，所以必须进行抗冻胀处理[2]。

表3 乌鲁却勒干渠渠道冻胀量与地下水位埋深的数量关系

3 渠道抗冻胀处理

为保证抗冻胀处理效果，首先应进行乌鲁却勒干渠渠床冻土部分的换填，换填深度按下式确定：

式中：ε 为换填比，查《渠系工程抗冻胀设计规范》换填比表得坡面顶部、底部和渠底ε 分别取0.60～0.80 和0.80～1.0；δ0为衬砌板厚度，m。

当不考虑砼板衬砌厚度δ0时渠道防冻层置换厚度为：

N-S 走向渠道边坡0.48 m；渠底0.6 m；E-W 走向渠道阳坡0.16 m；阴坡0.58 m；渠道底面：Zd=0.56 m。NE45°走向渠道阳坡：Zd=0.35 m；阴坡：Zd=0.54 m；渠道底面：Zd=0.44 m。根据渠道砼板衬砌厚度，并从方便工程施工的角度考虑，如采用置换法时改建渠道防冻层厚度Ze均取50 cm。

在确定出乌鲁却勒干渠渠道冻土置换层厚度的基础上，还应采用聚苯乙烯泡沫塑料板进行保温处理，其厚度D 为：

式中：Zd为设计冻深值；渠道边坡：Zd=0.58 m；坡面底部及渠道底面：Zd=0.60 m。对于N-S 走向的渠道边坡计算得D=3.9 cm～5.8 cm，渠道底面：D=4.0 cm～6.0 cm。

综合以上计算结果，考虑刚性衬砌材料的厚度，渠道底部、阳坡和阴坡保温苯板厚度初步确定为6 mm。

4 抗冻胀材料比选

根据本次建筑材料调查，项目区内防冻体垫层料只有天然砂砾石料和常规的中密度苯板，本次设计采用标准断面进行防冻材料经济比较。

天然砂砾石料从阿克苏西大桥砂石料场购买拉运，料场位于西大桥处314 国道以下约3 km 处，距乌鲁却勒干渠平均运距为75 km；苯板需从阿克苏市苯板厂进行采购，距乌鲁却勒干渠平均运距为85 km。

根据以上运距，对乌鲁却勒干渠改建渠道设计横断面形式以上两种置换防冻保温材料进行比较，具体比较结果见表4。

表4 项目区渠道防冻保温材料方案比较表

根据比选表对两种抗冻材料的比选，从材料来源、工程量、施工难易程度、适用范围、防冻胀效果、投资等方面进行比选，结合本项目工程的特点，本次设计推荐采用质量满足要求、边坡稳定性较好且工程投资较低的砂砾石作为抗冻胀材料。

5 结论

乌鲁却勒干渠改建渠道抗冻胀实践表明，渠道抗冻胀设计必须注重渠、路、沟的结合，对于地下水埋深浅且在渠底冻深范围以内的渠道，排水条件不良的情况下，必须进行保温和压实处理，减少冻深，采用砼预制板下铺设聚苯乙烯保温板的衬砌结构型式；对于地下水埋深浅且低于渠底冻深范围的渠道，应通过砂砾料换填，阻截土壤毛细管影响，并采用砼预制板下铺设防渗薄膜的衬砌型式。在渠道运行管理方面，必须加强冬灌结束时间的控制，并在冬灌结束后立即排空灌渠内积水，清除渠道淤泥，防止积水结冰而导致渠道冻胀破坏。