紅旗干渠改線工程抗凍脹設計

李 曼，李洪巖，王 冰

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，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生變形、開裂和滑塌，給渠道的運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計直接關系到渠道防滲工程的經濟效益和使用壽命，需要進行正確的抗抗凍脹設計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行說明。

2 工程背景

紅旗干渠為東城水庫和紅旗水庫供水干渠，紅旗干渠自北引總干渠末端烏南段樁號113+472處開始，到紅旗水庫進水閘止，全長39.43 km。現(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樁號至樁號39+130段，全長6.43 km。

改線段渠道渠線走向為自北向南(N－S)，本地區(qū)屬于大陸性季風氣候區(qū)、中溫帶，冬季寒冷而漫長，最大凍土深度為2.0～2.9 m。渠道沿線土質為低液限黏土，為凍脹性土。

3 抗凍脹設計

3.1 設計凍深

為求基礎設計凍深，先要進行工程地點的設計凍深計算:

式中:Zd為渠系工程的設計凍深，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(站)的地下水位深度，Zwo=3.0 m;Zwi為計算點的地下水位深度，取Zwi(坡面)=Zwi(渠底)=1.5 m。

計算得渠系工程的設計凍深:Zd(坡面)=2.60 m，Zd(渠底)=2.60 m。

當δc≤0.5 m時，基礎設計凍深采用以下公式計算:

式中:Zf為基礎下的設計凍深，m;δc為基礎板厚，δc為0.08 m;δw為底板之上冰層厚度，計算得基礎設計凍深:Zf=2.58 m。

3.2 凍脹量

低液限黏土凍脹量按下式計算:

式中:h為地表凍脹量，cm;Zw為凍前天然地表或設計地面高程算起的地下水位深度，取Zw=150 cm。hf為基礎結構下凍土層凍脹量，cm。計算得地表凍脹量 h=9.2 cm，hf=9.1 cm。

根據規(guī)范［2］的劃分原則，地基土的凍脹級別為Ⅲ級。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

根據規(guī)范［2］建議:當渠基土凍脹級別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級時，可采用置換措施防止凍脹破壞，置換時應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。

經計算，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庫區(qū)內大部分為低液限黏土和粉土，置換措施不但工程量大，而且非凍脹土的運距也會非常大，所以本次設計采用聚苯乙烯泡沫塑料保溫板進行抗凍脹。

板厚按下式計算:

式中:δx為保溫材料厚度，m;αw為保溫材料的導熱系數(shù)修正系數(shù)，取αw為=1.2;λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導熱系數(shù)，取λx=0.041W/(m·℃);R0為工程保溫基礎設計熱阻值，m2·℃ /W;δc為基礎材料厚度，δc=0.08 m;λc為基礎材料的導熱系數(shù)，對于混凝土板，取λc=2.94W/(m·℃);I0為工程地點的凍結指數(shù)，取I0=1500。

計算得保溫板板厚δx=0.11 m。

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

由于本工程采用了預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周圍土壤的含水量將會有所降低，渠道基礎下的基土凍脹量也將會有所減小，所以聚苯乙烯泡沫塑料保溫板板厚可適當減薄，設計取8 cm，工程布置見圖1。

4 結論

渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而產生，渠基土產生凍脹的基本要素是持續(xù)的負溫、土壤中存在自由水和毛細水通暢的水分補給通道、土壤本身的物理力學性質等，只有3個因素同時具備，才會產生凍脹。

只要消除其中一個因素，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前、后的水分補給，還可以改變渠基土體的基本結構。關鍵是要針對工程施工、運行的實際情況，因地制宜地選擇一種或多種綜合措施，合理、經濟地解決凍脹問題。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)劃設計管理局.SL211－2006水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.SL23－2006渠系工程抗凍脹設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水出版社，2006.

［3］沈鳳生.大型輸水明渠抗凍脹有關問題的初步探討［J］.水利規(guī)劃與設計，2008，36(6)1 －3.

［4］樊甲忍等.襯砌渠道凍脹原理及抗凍脹計算［J］.科技情報開發(fā)與經濟，2002，12(4):121 －122.