紅旗干渠改線工程抗凍脹設(shè)計(jì)

李 曼，李洪巖，王 冰

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;2.綏化市北林區(qū)河道管理處，黑龍江綏化152000)

1 引言

在我國(guó)北方季節(jié)性凍土地區(qū)，各種防滲襯砌渠道由于凍脹破壞很容易產(chǎn)生變形、開(kāi)裂和滑塌，給渠道的運(yùn)行和管理造成了許多困擾。因此，北方地區(qū)襯砌渠道凍脹防治設(shè)計(jì)直接關(guān)系到渠道防滲工程的經(jīng)濟(jì)效益和使用壽命，需要進(jìn)行正確的抗抗凍脹設(shè)計(jì)并且選擇合理的抗凍脹措施，本文以大慶紅旗干渠改線工程為例進(jìn)行說(shuō)明。

2 工程背景

紅旗干渠為東城水庫(kù)和紅旗水庫(kù)供水干渠，紅旗干渠自北引總干渠末端烏南段樁號(hào)113+472處開(kāi)始，到紅旗水庫(kù)進(jìn)水閘止，全長(zhǎng)39.43 km?，F(xiàn)狀渠底寬為12 m，水深1.90～2.40 m，縱向比降1/2 500～1/10 000，現(xiàn)狀過(guò)流能力為19.24 m3/s。本次紅旗干渠改線段為現(xiàn)紅旗干渠的32+150樁號(hào)至樁號(hào)39+130段，全長(zhǎng)6.43 km。

改線段渠道渠線走向?yàn)樽员毕蚰?N－S)，本地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)、中溫帶，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，最大凍土深度為2.0～2.9 m。渠道沿線土質(zhì)為低液限黏土，為凍脹性土。

3 抗凍脹設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)凍深

為求基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深，先要進(jìn)行工程地點(diǎn)的設(shè)計(jì)凍深計(jì)算:

式中:Zd為渠系工程的設(shè)計(jì)凍深，m;ψd為日照及遮蔭程度修正系數(shù);ψw為地下水影響系數(shù);Zm為歷年最大凍深，m，取Zm=2.9 m;α 為系數(shù)，取 α(坡面)=0.68，α(渠底)=0.64;ψi為典型斷面某部位的日照及遮蔭程度修正系數(shù)，取ψi(坡面)=ψi(渠底)=1.05;β為系數(shù)，取β=0.79;Zwo為鄰近氣象臺(tái)(站)的地下水位深度，Zwo=3.0 m;Zwi為計(jì)算點(diǎn)的地下水位深度，取Zwi(坡面)=Zwi(渠底)=1.5 m。

計(jì)算得渠系工程的設(shè)計(jì)凍深:Zd(坡面)=2.60 m，Zd(渠底)=2.60 m。

當(dāng)δc≤0.5 m時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深采用以下公式計(jì)算:

式中:Zf為基礎(chǔ)下的設(shè)計(jì)凍深，m;δc為基礎(chǔ)板厚，δc為0.08 m;δw為底板之上冰層厚度，計(jì)算得基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深:Zf=2.58 m。

3.2 凍脹量

低液限黏土凍脹量按下式計(jì)算:

式中:h為地表凍脹量，cm;Zw為凍前天然地表或設(shè)計(jì)地面高程算起的地下水位深度，取Zw=150 cm。hf為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層凍脹量，cm。計(jì)算得地表凍脹量 h=9.2 cm，hf=9.1 cm。

根據(jù)規(guī)范［2］的劃分原則，地基土的凍脹級(jí)別為Ⅲ級(jí)。本渠道為梯形斷面、混凝土板襯砌，其允許法向位移值取0.75 cm，顯然hf＞0.75，需要采取適宜的抗凍脹措施。

圖1 紅旗干渠干線工程橫斷面圖

3.3 抗凍脹措施

根據(jù)規(guī)范［2］建議:當(dāng)渠基土凍脹級(jí)別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)時(shí)，可采用置換措施防止凍脹破壞，置換時(shí)應(yīng)采用非凍脹性土置換渠床原狀土。渠床各部位置換深度Ze可按下式計(jì)算:

式中:Ze為置換深度，cm;ε為置換比，取ε(坡面下部、渠底)=90%;δ0為襯砌板厚度，δ0=8 cm。

經(jīng)計(jì)算，Ze=226 cm，由于改線段渠道基本為填方渠道，渠線周圍尤其是就近的待建東城水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)大部分為低液限黏土和粉土，置換措施不但工程量大，而且非凍脹土的運(yùn)距也會(huì)非常大，所以本次設(shè)計(jì)采用聚苯乙烯泡沫塑料保溫板進(jìn)行抗凍脹。

板厚按下式計(jì)算:

式中:δx為保溫材料厚度，m;αw為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)，取αw為=1.2;λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，取λx=0.041W/(m·℃);R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計(jì)熱阻值，m2·℃ /W;δc為基礎(chǔ)材料厚度，δc=0.08 m;λc為基礎(chǔ)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)于混凝土板，取λc=2.94W/(m·℃);I0為工程地點(diǎn)的凍結(jié)指數(shù)，取I0=1500。

計(jì)算得保溫板板厚δx=0.11 m。

襯砌渠道抗凍脹計(jì)算一般包括:凍結(jié)深度的確定、凍脹位移量計(jì)算、防凍脹措施的選擇等。

由于本工程采用了預(yù)制混凝土板和防滲膜的襯砌措施，在工程建成以后渠道基礎(chǔ)周圍土壤的含水量將會(huì)有所降低，渠道基礎(chǔ)下的基土凍脹量也將會(huì)有所減小，所以聚苯乙烯泡沫塑料保溫板板厚可適當(dāng)減薄，設(shè)計(jì)取8 cm，工程布置見(jiàn)圖1。

4 結(jié)論

渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而產(chǎn)生，渠基土產(chǎn)生凍脹的基本要素是持續(xù)的負(fù)溫、土壤中存在自由水和毛細(xì)水通暢的水分補(bǔ)給通道、土壤本身的物理力學(xué)性質(zhì)等，只有3個(gè)因素同時(shí)具備，才會(huì)產(chǎn)生凍脹。

只要消除其中一個(gè)因素，就能防止和減輕凍脹危害。因此渠道抗凍脹措施可以采取保溫措施，也可以切斷凍土地基在凍結(jié)前、后的水分補(bǔ)給，還可以改變渠基土體的基本結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵是要針對(duì)工程施工、運(yùn)行的實(shí)際情況，因地制宜地選擇一種或多種綜合措施，合理、經(jīng)濟(jì)地解決凍脹問(wèn)題。本工程也是在考慮到換填非凍脹性土工程量大、投資較高的情況下，才采取了保溫措施。

［1］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局.SL211－2006水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［2］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL23－2006渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水出版社，2006.

［3］沈鳳生.大型輸水明渠抗凍脹有關(guān)問(wèn)題的初步探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2008，36(6)1 －3.

［4］樊甲忍等.襯砌渠道凍脹原理及抗凍脹計(jì)算［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2002，12(4):121 －122.