新疆灌区渠系建筑的防冻设计分析

杜秀

(新疆乌苏市水利局，新疆乌苏833000)

近年来，新疆灌区水利工程的建设和改造日益增加，尤其塔城地区是我国新疆的农牧业大区。随着塔城地区农田水利工程大规模建设和改造规划的不断展开，玉东果勒灌区的水利工程也列入其中。玉东果勒河流域位于乌苏市古尔图镇，发源于天山山脉中段的高山冰川，东邻古尔图河，西与莫托河相邻。灌区对于农田水利工程的改造任务涉及到了渠道的改建、渠系建设物的建设工程等众多项目，其中在灌区渠系建筑物的设计阶段，应该充分考虑到新疆的地域、气候特点，对建筑物的防冻设计进行具体考虑。

1 灌区基本情况及气候条件

玉东果勒河灌区位于天山北坡，准噶尔盆地西南缘，海拔高度484～435 m。经研究和规划确定玉东果勒灌区规模为小(1)型。需要重建渠首1座、新建干渠3.478 km、改建支渠37.5 km、配套渠系建筑物35座，工程总投资1742万元。

灌区所在牧场为古尔图镇牧场，牧场主要居民为哈萨克族，畜牧业过度依赖天然草场带，造成天然草场产草量逐年下降，冬牧场超载，草场面临着严重的退化和沙化问题。玉东果勒河灌区属于温带干旱气候带，春季升温较快，且冷暖波动较大，秋季气温下降较为迅速，冬季负温时间较长最低气温可达－40℃。

2 新疆渠系建筑物冻害分析

新疆灌区水利工程受地区气候条件的影响，灌区水利工程经常受到冻害破坏。就玉东果勒灌区来说，由于气温变化幅度较大，水利建筑物的冻害问题不可避免。所以在灌区水利工程的规划设计阶段，就应该考虑到这一实际问题，针对灌区的特点，对冻害成因进行深入的分析，以便采取合理的设计预防方案。

2.1 灌区渠系建筑物的冻害问题分析

由于季节冻土在新疆分布较广，尤其是玉东果勒河流域，冻土分布更为明显。在土壤的冻结过程中，土体中的水分会产生不均匀的融沉问题，在此类地基中修筑建筑物，很容易受到地基变形的影响，造成建筑物不同程度的损坏，甚至毁坏不能使用，尤其是对于渠系建筑来说，这种问题更加突出。通常渠系建筑均修筑在灌排水的渠道上，地下的水位较高，且灌区面积较小，渠系及其建筑的过流量也较小。经过对新疆水工建筑的调查和统计，全区有超过70%的水工建筑物受到了不同程度的冻害破坏，存在年年维修年年有损坏的问题，在新建工程中，为了避免冻害破坏，通常采取加深基础的方法，使建筑物的地基深入到冻深以下，这样虽然起到了一定的效果，但工程量和工程造价就会相对增加。

2.2 冻害问题的主要原因分析

2.2.1 桩基础的冻害问题

通常对新疆受到冻害破坏的渠系建筑进行分析，结果可以看出桩基础的冻胀上拔，主要是因为切向冻胀力的作用。当处于冻层中的桩基础周围土体中水分冻结成冰后，冰会将桩基础的侧表面与周围土颗粒胶结在一起，形成冻结力，又可称作冻结强度。在桩基础周围的土体发生冻胀时，在靠近桩周围的冻土冻胀变形便会受到一定的约束，进而沿着基础侧表面产生方向向上的切向冻胀力，导致桩基础在冻胀后发生上拔现象。

2.2.2 板基础冻害问题

板式基础的冻胀上拔问题，主要原因是当板式基础置于冻层内时，不但要受到两侧的切向冻胀力作用，其底部还会受到法向冻胀力的作用，在这两种力的联合作用下，使板基础发生上抬问题。当板基础置于冻层以下时，由于板基础的面积较小，使冻拔力超过总外力，致使整个板基础发生冻胀上抬现象。而当板基础的尺寸和配筋强度不能满足设计要求时，这种上抬问题更容易发生。

2.2.3 挡土墙的冻胀问题

在小型的渠系建筑物当中，挡土墙的应用非常普遍。挡土墙在受到冻胀破坏时主要表现在，渗透性破坏、土体冻胀破坏以及基土的融沉破坏。渗透性破坏主要是说在新疆寒冷地区，墙后的填土在受到冻胀时，造成侧向的渗透破坏。当墙后填土含水量低于其塑限时，土体在冻结过程中，会产生一定的体积收缩，而当挡土墙后的填土出现冻缩以后，就会导致土体与墙体的分离，形成缝隙现象。在春季通水时，会导致渗径短路，进而导致填土被水带走。最终产生进出口的整体倾复或者断裂;土体冻胀是指，在冻结期间，墙体会受到水平冻胀力、切向冻胀力和基底法向冻胀力的共同作用，而产生同向的作用力，导致墙体发生前倾和变形，当气温回升以后又不能完全的恢复，经过多年的反复作用，最终导致墙体倾倒;基土的融沉问题是指，地基土在冻胀时含水量会明显增加，而当气温回升时，地基土会融化，融化时的地基承载力会受到水的影响，使承载力下降进而发生融沉问题。

3 渠系建筑物的防冻胀设计措施

3.1 合理安排建筑物的各部分

在寒冷地区，基础较浅的小型渠系建筑，其防冻害设计的关键是将建筑进行合理的分割和设置合理的变形缝。同时还应该在各部分之间，采用比较可靠的能够充分适应变形的活动连接设计方案，这样不但可以改善建筑物结构的受力条件，还能够有效改善建筑物的防渗条件，这是小型渠系建筑物预防冻胀较为科学的设计方法。拿路涵来说，其冻胀破坏主要表现在冻胀力作用下，进出口护墙的中部开裂问题;或者是路涵各连接处的错位、断裂问题。针对路涵冻胀的这两种问题可以采用科学的分割或者连接方式来解决，具体设计方法是，将进出护墙和洞身进行分割，使进出护墙和洞身不浇成整体，胸墙形成弧形扣在洞顶;胸墙和护墙可以适当的进行分块设计，来适应洞身、胸墙以及护墙之间的形变不均匀问题;路涵的本身进行分割，在管节之间采用柔性连接的方式，来适应冻胀变形。或者是管节采用固定连接时，将各管节放在浅基框架的基础上，当发生冻胀上抬时，各管节就不会产生变位问题，有效的避免了管节错位问题的发生。

3.2 渠系建筑的平面和立面尽量简化

由于玉东果勒灌区的渠系建筑多数为小型，对于小型建筑的布置应该力求外形的简化标准，以增加其适应冻胀变形的能力。小型的渠系建筑物在冻胀力的作用下，自身抵抗变形，维持稳定的能力较低，而且各部分在不均匀冻胀力的作用下，容易受到弯、剪和扭等各种内力的作用。小型渠系建筑可以在整体失稳的情况下，断续使用，但是如果小型建筑物的结构较为复杂，那么在其各种内力的作用下，就会产生较大的强度破坏，进而导致小型建筑物的运行能力丧失。所以在地小型建筑物进行设计时，应该尽量考虑将其平面和立面结构进行简化。

3.3 采用砂砾石垫层来改良土性

换填法目前应用较为普遍，尤其对于新疆地区的渠系建筑工程来说，是一种即经济又实用的方法。采用换填法对渠系建筑地基土的冻胀变形进行预防，需要将全部冻结深度或者部分冻结深度进行换置，设计时应该对换置深度进行科学计算和确定，尽量在工程造价和防冻害之间取得平衡。设计时可根据建筑物的类型、结构所允许的变形程度、土体的冻结深度以及地下水位等条件来具体计算确定。

3.4 改变水分转移条件

尽量降低地下水位，设计可考虑在渠系建筑物周围打一些竖直的降水井，在井中回填砂砾石与透水层，起到充分排水的作用;充分利用化学材料，采用灌浆法对地基土进行固结，并堵死毛细水通道，使水分渗透困难或者不能渗透到建筑物基础中;也可采用在渠系建筑的基础底部或者周围铺设不透水保温层的方法。保温层的厚度和材料可根据实际需要来确定。这样做的好处是，既提高了基础的地温，也减少了冻层的深度，同时还可改变水分的转移方向，使地基下的水分转移到建筑物以外的土层中，避免了冻胀问题的发生。

4 结论

在新疆玉东果勒灌区渠系建筑的设计阶段，对建筑物的防冻措施进行充分考虑，不但能够提高这一灌区水利工程的整体质量，还能使这一工程的经济效益和经社会效益得到长远发挥。对于渠系建筑物的防冻设计，不但需要在玉东果勒灌区水利工程中考虑，还应该在全新疆的农田水利工程中全面实施，这也是新疆水利工程建设意义能够得以实现的前提条件。

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