小型灌區(qū)渠道抗凍脹方案探討

朱　琳

(甘肅省科學(xué)院 自動化研究所,甘肅 蘭州　730000)

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小型灌區(qū)渠道抗凍脹方案探討

朱琳

(甘肅省科學(xué)院 自動化研究所,甘肅 蘭州730000)

摘要季節(jié)性凍土地區(qū)的基土凍脹破壞會降低渠道水利用系數(shù)。在抗凍脹設(shè)計中,常用的防止凍脹措施為預(yù)制C15混凝土+砂礫石墊層弧底梯形渠和預(yù)制C15混凝土+聚笨乙烯泡沫板弧底梯形渠兩種襯砌形式。通過在小型灌區(qū)渠道改建設(shè)計中對比兩種措施分別在兩種常見的斷面型式下投資直接費用,得出在小型渠道抗凍脹措施中砂礫石墊層方案投資經(jīng)濟具有一定的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞小型灌區(qū)砂礫石墊層；渠道凍脹;防凍脹設(shè)計

臨夏縣尹川灌區(qū)夏惠渠節(jié)水改造工程位于臨夏縣西南部,干渠全長10.82 km,建于1956年。經(jīng)過五十余年的運行,渠道塌陷、凍脹、裂縫、淤積,輸水能力下降,輸水損失加大,水資源利用率低,嚴(yán)重制約著灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善。

工程區(qū)屬季節(jié)性凍土地區(qū),渠道襯砌如果不采取一定的防凍脹措施,將會經(jīng)常發(fā)生基土凍脹破壞。主要表現(xiàn)為襯砌鼓脹裂縫、隆起架空、整體上抬、襯砌塊錯位等,嚴(yán)重的情況還會造成襯砌破碎或者滑塌[1,2]。渠道襯砌的凍脹破壞,導(dǎo)致其失去防滲減糙作用,增大渠道的輸水損失,降低渠道水利用系數(shù)[3]。為避免襯砌發(fā)生基土凍脹破壞,保證渠道襯砌的防滲減糙作用,應(yīng)針對不同的基土凍脹情況,采取相應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)形式。樁號K0+000～K3+780、K3+860～K5+160、K5+300～K7+628段為預(yù)制C15混凝土+砂礫石墊層防凍脹的弧底梯形渠斷面,樁號K8+340～K10+820段為預(yù)制C20U形混凝土構(gòu)件+砂礫石墊層防凍脹的斷面。

1渠道防凍脹設(shè)計

1.1工程介紹

工程區(qū)處大夏河下游低山丘陵區(qū),屬大陸性溫帶半干旱氣候,流域內(nèi)受地形影響,水汽輸送條件較好,降水較為充沛。全年平均氣溫5.9 ℃,極端最高氣溫29.7 ℃,極端最低氣溫-24.8 ℃,最大凍土層厚度1.11 m,光、熱、水資源條件比較優(yōu)越。

1.2干渠抗凍脹設(shè)計

依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》[4],須進行渠道混凝土防滲襯砌的防凍脹設(shè)計。

(1)渠道設(shè)計凍深渠道設(shè)計凍深計算公式為

Zd=Ψd·Ψz·Zm,

(1)

其中:Zd為工程設(shè)計凍深(cm)；Zm為歷年最大凍深,111 cm；Ψd為考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù);Ψz為地下水影響系數(shù)。

Ψd的計算公式為

Ψd=α+(1-α)Ψi,

其中:Ψi為典型斷面某部位的日照及遮陰程度修正系數(shù),查表得陰陽面中部的系數(shù)為1.15,底面中部的系數(shù)為1.1；α為系數(shù),查表得NE45°走向弧底梯形渠(陰面、陽面及底面)中部的系數(shù)分別為-0.12、0.67、0.55,NE45°走向U形渠(陰面、陽面及底面)中部的系數(shù)分別為-1.8、-1.47、-1.79。

Ψz的計算公式為

其中:Zw0為計算點的凍前地下水位深度,按1.5 m考慮；Zwi為臨近氣象臺(站)的凍前地下水位深度,取2.0 m；β為系數(shù),取0.79。

計算得干渠設(shè)計凍深見表1。

(2)基礎(chǔ)設(shè)計凍深因基礎(chǔ)板厚度小于0.5 m,采用下式計算基礎(chǔ)設(shè)計凍深:

Zf=Zd-0.35δc-1.6δw,

其中:Zf為基礎(chǔ)設(shè)計凍深(m)；δc為基礎(chǔ)板厚度,0.08 m；δw為底板之上冰層厚度,0。

計算得干渠基礎(chǔ)設(shè)計凍深見表2。

(3)凍脹量渠道天然狀態(tài)下的凍脹量可根據(jù)土質(zhì)和凍結(jié)前地下水位埋深情況查取,干渠位于砂壤土、粉質(zhì)壤土地基之上,查得凍脹量為4.9 cm。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量hf為

hf=hZf/Zd,

其中:h為工程地天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量,4.9 cm。計算得渠道的凍脹量均為5 cm。

(4)渠基土的凍脹性級別按照《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》[5]中地基土的凍脹性工程分類,屬Ⅱ級凍脹。

防凍脹驗算如下:

取渠道橫斷面上的最大凍脹量5 cm,作為襯砌渠道的最大凍脹位移值。改建渠道主要采用混凝土襯砌弧底梯形渠和U形渠兩種斷面型式[6],規(guī)范允許位移值分別為1～3 cm、2～5 cm,渠道的最大凍脹位移值大于允許位移值,需采取防凍脹措施[7,8]。

抗凍脹措施如下:

① 襯砌渠道沿渠線方向每隔5 m設(shè)凍脹變形縫,縫內(nèi)填充柔性止水材料;

② 每年進行一次襯砌體的裂縫修補,襯砌體的封頂應(yīng)保持完好,不允許有外水流入襯砌體背后;

③ 用翻夯法提高渠床土的密度,要求壓實度不低于0.98,干密度不低于1.65 g/cm3;

④ 采用非凍脹性的砂礫石置換凍土層,在襯砌板下鋪設(shè)砂礫石墊層,渠床各部位置換深度0.3～0.5 m;

⑤ 渠道橫斷面采用抗凍脹變形能力強的U形和弧底梯形斷面。

1.3防凍脹設(shè)計

該方案主要采取抑制凍脹力對渠道的破壞,根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》[4]確定預(yù)制C15混凝土弧底梯形、U形斷面,混凝土設(shè)計強度為C15,防凍標(biāo)號為F50,防滲等級為W6。

預(yù)制C15混凝土+砂礫石墊層防凍脹的弧底梯形渠防凍脹設(shè)計如下:

根據(jù)凍脹計算結(jié)果,確定砂礫石墊層厚度為0.3 m,防滲層梯形邊坡為6 cm厚、弧底8 cm厚C15混凝土預(yù)制,圓心角為77°,梯形邊坡1∶1.25?；炷令A(yù)制塊下部敷設(shè)0.18 mm塑料布一層,中間加2 cm厚M5.0砂漿墊層,底部為砂礫石墊層。

預(yù)制C15U形混凝土構(gòu)件+砂礫石墊層防凍脹的U形渠防凍脹設(shè)計如下:

根據(jù)凍脹計算結(jié)果,確定砂礫石墊層厚度為0.3 m,防滲層為C15混凝土整體預(yù)制U形槽,預(yù)制件厚度8 cm,圓心角為164°,設(shè)計渠口寬混凝土預(yù)制塊下部敷設(shè)0.18 mm塑料布一層,中間加2 cm厚M5.0砂漿墊層,底部為砂礫石墊層。

2渠道防凍脹設(shè)計方案比較

2.1方案提議

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》[5]規(guī)定,可供比選的抗凍脹處理方案主要有:

方案Ⅰ:預(yù)制C15混凝土+砂礫石墊層防凍脹的方案;

方案Ⅱ:預(yù)制C15混凝土+聚苯乙烯泡沫板鋪設(shè)防凍脹的方案[9]。

2.2置換層深度確定

根據(jù)抗凍脹計算,方案Ⅰ在襯砌板下鋪設(shè)的砂礫石置換層深度為Hn=30～50 cm,設(shè)計置換深度取30 cm。

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》[5]規(guī)定,對于小型渠道,聚苯乙烯泡沫板厚度的確定可按1 cm的保溫板可減少10～15 cm凍深估算,聚苯乙烯泡沫板設(shè)計厚度取8 cm,可消除渠床土的凍脹,保溫板采用全斷面鋪設(shè)。

2.3經(jīng)濟比較

不同方案所采用的防凍脹措施不同,工程投資差別比較大,兩種方案每米投資見表3。

從表3可以看出,方案Ⅰ與方案Ⅱ相比,弧底梯形渠方案Ⅰ每米投資比方案Ⅱ低38.32元,U形襯砌方案Ⅰ每米投資比方案Ⅱ低35.22元。

2.4防凍脹方案綜合評價

(1)預(yù)制C15混凝土+砂礫石墊層防凍脹的方案預(yù)制C15混凝土+砂礫石墊層防凍脹方案具有經(jīng)濟、快捷、簡便的特點,在季節(jié)性凍土地區(qū)的渠道防凍脹措施中運用廣泛。首先是渠基填筑30 cm的砂礫石墊層,在地下水位上升到墊層時,砂礫石墊層起透水作用,該方法改變了渠道的基土條件,減少或消除了渠基凍脹。其次增設(shè)防滲膜,在襯砌下鋪設(shè)塑膜防滲層,減少滲水,降低基土水分含量,可有效地減少或消除渠基凍脹。最后是渠道襯砌全部采用預(yù)制混凝土構(gòu)件,預(yù)制混凝土構(gòu)件在基土凍脹作用下,容易適應(yīng)基土凍脹變形,而不發(fā)生混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)破壞,對弧底梯形段渠道,由于呈三角形分布的凍脹力主要由底弧段承受,設(shè)計將底弧段設(shè)計為8 cm,比渠坡段加厚2 cm。

該方案的優(yōu)點是:①對渠基進行了換填,改變了渠道的基土條件;②由于本工程干渠主要繞行于大夏河右岸Ⅱ、Ⅲ級階地后緣地帶,附近料場換填料充足,工程造價低;③對于小型灌區(qū),渠基換填厚度小,施工技術(shù)要求不高、控制施工質(zhì)量難度不大;④對于以工代賑工程,需結(jié)合當(dāng)?shù)厝罕姷耐豆ね秳?以符合以工代賑工程為受益區(qū)群眾造福的原則。缺點是:①換填料的質(zhì)量把握有一定的難度,要求回填含土量小于5%的料;②防滲塑膜位于墊層上面,施工中容易遭到破壞,達(dá)不到徹底防滲的效果。為解決這一缺點,設(shè)計中可增設(shè)一道砂漿墊層,具體為:在換填料上設(shè)2 cm砂漿墊層,后鋪設(shè)防滲塑膜,塑膜上加設(shè)一道2 cm砂漿墊層,最后鋪砌混凝土防滲板。

(2)預(yù)制C15混凝土+聚苯乙烯泡沫板鋪設(shè)防凍脹的方案預(yù)制C15混凝土+聚苯乙烯泡沫板鋪設(shè)防凍脹的方案造價較高,該方案在甘肅省已逐步推廣,有一定的推廣價值。聚苯乙烯泡沫板保溫效果好,具有一定的彈性,減少或消除了渠基凍脹。優(yōu)點是:①采用8 cm的聚苯乙烯泡沫板,渠道開挖斷面小,渠基土方工程量較小;②施工工藝簡單,耐久性好。缺點是:①須從外地生產(chǎn)廠家采購,運距大;②當(dāng)?shù)厝罕姷耐豆ね秳诔潭鹊?③回收利用程度低,易遭成環(huán)境污染。

3結(jié)語

為避免襯砌發(fā)生基土凍脹破壞,保證渠道襯砌的防滲減糙作用,應(yīng)針對不同的基土凍脹情況,結(jié)合凍脹計算成果確定的換填料厚度,采取相應(yīng)的防凍脹形式。

對于以工代賑項目小型灌區(qū)渠道抗凍脹措施,在地基土凍脹級別不高,不影響渠基抗凍脹要求的情況下,采用換填砂礫石墊層方案,可有效降低工程投資,并提高當(dāng)?shù)厝罕姷耐豆ね秳诔潭?更加符合于國家以工代賑項目投資的精神。

參考文獻：

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A Discussion of Channel Frost Heave Resistance Program on Small-sized Irrigation Area

Zhu Lin

(Institute of Automation ,Gansu Academy of Sciences ,Lanzhou 730000,China)

Key wordsSand and gravel stratum of small-sized irrigation area;Channel frost heave;Design of frost-heaving protection

AbstractOn seasonally frozen ground area,frost heave damages of base soil will reduce channel water utilization coefficient. In the frost heave resistance design,the frost heave resistance measures commonly used have two lining forms,which are trapezoidal channel with arc bottom of prefabricate C15concrete plus sand and gravel stratum and of prefabricate C15concrete plus polystyrene foam board. The comparison of direct investment cost of two different measures respectively under two commonly sectional forms from designs of channel reconstruction of small-sized irrigation area indicates that the sand and gravel stratum program in the frost heave resistance measure of small-sized channel has a certain advantage in investment economy.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.019.

收稿日期：2015-06-10;修回日期：2015-07-16.

作者簡介:朱琳(1988-),女,甘肅蘭州人,助理工程師,研究方向為地基處理和檢測技術(shù).E-mail:26730467@qq.com.

中圖分類號:TV698.26

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-0366(2016)03-0089-04

引用格式:Zhu Lin.A Discussion of Channel Frost Heave Resistance Program on Small-sized Irrigation Area[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):89-92.[朱琳.小型灌區(qū)渠道抗凍脹方案探討[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(3):89-92.]