引黃濟青輸水渠改造工程設(shè)計凍深及凍脹量分析

謝 忱

(山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

引黃濟青工程輸水渠起始端為打漁張樞紐沉砂池出口，終止端為棘洪灘水庫，全長252.5km，自1986年開始建設(shè)，1989年11月25日建成通水，建成至今已累計向青島供水近20億m3，極大地推動了供水沿線地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展。輸水渠中利用倒虹、渡槽等建筑物輸水長度約9.08km；利用小清河分洪道輸水長度約36.5km；利用吳溝河輸長度約5.8km；另外開挖新建輸水渠長度約201.2km。引黃濟青輸水渠建成至今已運行近30年，受凍脹作用的影響，處于水位浮動范圍內(nèi)的部分渠道發(fā)生襯砌混凝土板坍塌、裂縫嚴(yán)重等病害和破壞[1- 3]，造成此類渠道漏水較嚴(yán)重。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，渠道凍脹破壞的主要受氣溫、土壤類型及其含水量的影響[4- 7]。輸水渠所處地區(qū)為山東膠東地區(qū)，冬季時間長且氣溫較低，該地區(qū)土壤中粉粒含量較高，易發(fā)生凍脹，由于輸水渠供水時間主要在冬季，在運行過程中，會導(dǎo)致土壤中含水量較高，必然會導(dǎo)致渠床發(fā)生凍脹，造成渠道襯砌的破壞[8- 10]。

1 設(shè)計凍深及凍脹量計算

1.1 渠系設(shè)計凍深計算

根據(jù)SL23- 2006渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范，采用壽光市、寒亭區(qū)(1985～2009年)的氣象資料進行復(fù)核計算，明渠渠道按土質(zhì)、地下水條件和渠道走向基本相同的原則劃分不同的渠段，每個渠段選取一個具有代表性的典型斷面，每個斷面分別選取渠底、坡腳、坡中、坡(地下水位附近)、坡頂8個點進行計算。

設(shè)計凍深根據(jù)SL23- 2006確定，各公式如下：

(1)

式中，Zd—渠系工程設(shè)計凍深，cm；Zm—歷年最大凍深，cm，輸水渠各段歷年最大凍深見表1；

表1 輸水渠沿線各段歷年最大凍深

表2 渠系典型斷面的工程設(shè)計凍深計算結(jié)果

Ψd—考慮日照及遮陰程度修正系數(shù)；Ψw—地下水影響系數(shù)；Ψi—典型斷面某部位的日照及遮陰程度修正系數(shù)；α—系數(shù)；Zwi—計算點的凍前地下水位深度，m；Zwo—鄰近氣象臺(站)的凍前地下水位深度，m，當(dāng)黏土、粉土Zwo>3.0m，細(xì)粒土質(zhì)砂Zwo>2.5m，含細(xì)粒土砂Zwo>2.0m時，可取黏土、粉土Zwo=3.0m，細(xì)粒土質(zhì)砂Zwo=2.5m，含細(xì)粒土砂Zwo=2.0m；β—系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，壽光選取1985年最大凍深，即Zm取值為54cm；寒亭選取2003年最大凍深，即Zm取值為37cm。選取明渠樁號66+752、83+667、96+729、105+682、125+701、152+266的典型斷面進行計算，渠系的工程設(shè)計凍深見表2。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計凍深的確定

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》確定，各公式如下：

(2)

式中，Ri—底板熱阻，m2·℃/W；Ro—設(shè)計熱阻，m2·℃/W；lo—凍結(jié)指數(shù)，℃·d，輸水渠各段凍結(jié)指數(shù)見表3；Zd—工程地點的天然設(shè)計凍深，cm；Zf—基礎(chǔ)下的設(shè)計凍深，cm；δc—基礎(chǔ)板厚度，m；δw—底板之上冰層厚度，m；λc—底板(墻)的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)。

選取明渠樁號66+752、83+667、96+729、105+682、125+701、152+266的典型斷面進行計算，每個渠段基礎(chǔ)設(shè)計凍深見表4。

1.3 凍脹量的計算

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》確定，公式如下：

表3 輸水渠沿線各段歷年凍結(jié)指數(shù) 單位：℃·d

表4 渠系典型斷面的基礎(chǔ)設(shè)計凍深計算結(jié)果

(3)

式中，hf—基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量，cm；

圖1 渠道保溫措施及襯砌型式

h—工程地點天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量，cm；其他參數(shù)同公式(1)、公式(2)。

因引黃濟青輸水渠道沒有現(xiàn)場試驗觀測條件，其凍脹量h可由Zw的情況在規(guī)范中查的，當(dāng)Zw超過2.0m時，按2.0m取值。根據(jù)輸水渠走向、地下水埋深、渠床土質(zhì)等，分別對輸水渠典型斷面進行計算，凍脹量計算結(jié)果見表5。

表5 渠系典型斷面的凍脹量計算結(jié)果

規(guī)范中渠道斷面為梯形時，其混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹允許法向位移值規(guī)定為5～10mm。由計算結(jié)果可知，計算斷面陰坡凍脹量為10～141mm，陽坡凍脹量為7～94mm，渠底為11～125mm，地下水位處坡面為94～174mm，可以判別地基土的凍脹級別為Ⅱ級和Ⅲ級；根據(jù)計算結(jié)果、渠坡及渠底凍脹量均大于規(guī)范規(guī)定，需對渠坡和渠底采取保溫措施。因此，本次輸水渠改造工程的渠道防凍脹設(shè)計采用全斷面鋪設(shè)保溫板和復(fù)合土工膜，其上鋪6cm厚預(yù)制混凝土板；渠坡采用保溫板和6cm厚預(yù)制混凝土板防護，渠底采用0.5m厚當(dāng)?shù)赝翂簩嵾@兩種護砌型式，如圖1所示。

2 結(jié)語

以渠道沿線的土壤類型、渠道走向及其護砌型式，選取了有代表性的典型斷面，分析計算典型斷面上各部位的凍脹量，本次選取壽光、寒亭兩段渠道進行復(fù)核計算，與引黃濟青工程原輸水渠襯砌防凍脹設(shè)計進行比較后，確定采取防凍保溫的措施。本次輸水渠改造工程的渠道防凍脹設(shè)計采用全斷面鋪設(shè)保溫板和復(fù)合土工膜，其上鋪6cm厚預(yù)制混凝土板；渠坡采用保溫板和6cm厚預(yù)制混凝土板防護，渠底采用0.5m厚當(dāng)?shù)赝翂簩嵾@兩種護砌型式。

[1] 羅帆. 岳普湖縣某渠道防凍脹設(shè)計[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2014(05): 55- 56.

[2] 李超明. 沙井子灌區(qū)渠道襯砌混凝土防凍脹設(shè)計探討[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2009(02): 46- 47+50.

[3] 李紅燕, 聶曉東. 平原明渠高地下水位區(qū)防凍脹設(shè)計[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2009(02): 57- 59.

[4] 陳雯龍. 新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2011(03): 45- 47+55.

[5] 王引田. 汾河灌區(qū)渠道防滲襯砌結(jié)構(gòu)的比選[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2015(04): 67- 71.

[6] 楊小航, 楊春旗. 苯板在嚴(yán)寒地區(qū)渠道工程中的選用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2015(04): 83- 85.

[7] 麥麥提艾力, 麥麥提熱依木. 英爾力克干渠渠道凍脹優(yōu)化設(shè)計[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2013(11): 66- 67+74.

[8] 趙云, 李鵬. 大安灌區(qū)總干渠工程的防凍脹措施[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2014(04): 95- 98.

[9] 楊啟龍. 高地下水位渠道混凝土襯砌凍脹損壞數(shù)值模擬研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2017(09): 136- 139+153.

[10] 周明. 苯板保溫在沈陽渾蒲灌區(qū)的應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2015(02): 90- 91.