引黃調水明渠工程萊州段凍害防治措施

李永萍

（萊州市自來水公司 山東 萊州 261400）

膠東地區引黃調水明渠工程長159.6 公里， 為減少渠道輸水滲漏量，對明渠采用全斷面襯砌。 膠東地區冬季氣溫低、負溫持續時間長， 土壤組成多為粉粒含量高的凍脹性土壤，沿線地下水位雖然不高，但輸水時間主要集中在冬季，輸水期間含水量相對較高，因此，輸水渠在運行期間必然會出現渠床土壤凍脹現象，加上凍融和冰壓力的影響，可能形成渠道襯砌的破壞。

1 凍害、冰害對襯砌體的破壞類型

1.1 襯砌結構本身抗凍性能差，在負溫下凍結成冰，體積膨脹引起的應力超過材料強度，即產生裂縫，經多次凍融循環而破壞。

1.2 冰壓力造成襯砌結構破壞。冬季輸水期間，水體結冰，形成冰蓋，隨著冰層加厚，對兩岸襯砌結構的冰壓力也越大。 在此情況下，一是襯砌結構有可能在冰壓力下被直接破壞或將襯砌體推上坡，二是當水面封凍后，流冰不斷堆積，形成冰塞、冰壩，減小過水斷面，抬高了水位線，可能造成水流漫堤，破壞渠堤。

1.3 襯砌結構下面渠床基土在低溫下凍結，土體膨脹，超過了襯砌結構的承載能力，造成襯砌結構開裂、隆起，反復凍融，導致襯砌結構失效。

2 從設計入手，防止凍害、冰害

根據襯砌結構破壞類型，抗凍脹設計從如下三個方面考慮：

2.1 確定襯砌材料抗凍等級

混凝土的抗凍等級是指混凝土在水飽和狀態下，能經受多次循環凍融而不破壞， 同時也不嚴重降低強度的性能，根據明渠工程設計年限要求，確定萊州膠東引黃調水明渠工程預制砼板抗凍等級采用F200。

2.2 渠床基土防凍脹計算

規范規定：標準凍深大于10 厘米的襯砌渠道和暗管、標準凍深大于50 厘米的水閘、涵管等渠系建筑物，均應進行防凍脹設計，如渠坡及渠底凍脹量大于允許位移值，需采取保溫措施。

根據《水工建筑物抗凍脹設計規范》（SL211－98），結合萊州市氣象資料對萊州輸水明渠襯砌結構進行凍脹量計算如下：

2.2.1 凍結深度的確定

1）標準凍深

計算公式為：Zk＝a*I00.5

Zk——工程地點的標準凍深 （cm），I0——凍結指數，a——系數，按規定選取。 萊州段I0＝201.45，a＝2.96，標準凍深為42.01cm。

2）設計凍深

（1）計算公式

Zd＝∮f*Kd*KW*Zk

Zd——工程設計凍深，cm。

∮f——凍深年際變化的頻率模比系數，可從規范的曲線圖查得。 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級建筑物按頻率為5%的曲線查取。

Zk——工程標準凍深

Kd——考慮日照及遮蔭的修正系數。

KW——地下水影響系數。

（2）日照及遮蔭影響系數（Kd）

Kd值與工程地點的氣候、位置（陽面、陰面或底面）有關。

Kd＝a+b*Ki，a，b——系數，a，b 的值均可從規范所給的表中查得，Ki可查規范中Ki分布圖。

（3）地下水影響系數（KW）

渠道斷面各點的凍脹程度取決于土中含水量的高低，地下水位低于渠底但小于臨界水深， 在毛細管力的作用下，地下水上升，渠底和渠坡都發生凍脹，渠道輸水時，在冰面附近的渠坡凍漲力最強。

KW＝（1+ae-Zwo）/（1+ae-Zwi）

Zwo——附近氣象站地下水位深度（m）

Zwi——計算點的地下水位深度（m）

a——系數，見表1。

表1

（4）設計凍深值

H0＝42.01，∮f＝1.34，Kd、KW的值隨不同地點取值不同。 根據選取的典型斷面計算結果，膠東地區輸水明渠萊州段設計凍深陽面在42.21～53.47 厘米，底面60.22～64.72 厘米，陰面73.16～81.61 厘米。

2.2.2 凍脹量的確定

土的凍脹量可分地表凍脹量和基礎下凍土層凍脹量。由于渠道襯砌板自重小，又無外加荷載，因此設計中可僅考慮地表凍脹量，而不考慮基礎底下地基土凍結層的凍脹量。

地表凍脹量大小與負溫、土質、水分有關。 粘性土凍脹量大，砂性土凍脹量小；地下水埋深淺凍脹量大，埋深大凍脹量小。 根據設計凍深的值，凍脹量的大小可從規范查圖求得。

經過計算查得，萊州段膠東地區輸水明渠凍脹量陽面在2.91～6.11 厘米，底面5.09～7.78 厘米，陰面7.07～11.68 厘米。

2.2.3 渠道襯砌結構允許法向位移值

根據規范規定，Ⅰ級工程梯形斷面渠道混凝土襯砌結構凍脹允許法向位移值為5mm。 由上面計算結果可知，渠坡及渠底凍脹量均大于允許位移值，需采取保溫措施。

2.2.4 削減凍脹保溫措施

削減凍脹可分為置換砂礫墊層、隔熱保溫、壓實干密度、防滲排水等，其中隔熱保溫法具有隔熱保溫性能好、價格低、施工方便等優點，當前在國內、外得到了廣泛的應用。

1）保溫材料的選擇

隨著工業化的發展，聚苯乙烯泡沫塑料泡沫板，具有自重輕、強度高、吸水性小、抗老化、施工方便等優點，同時由于材料有一定的壓縮性，可以削減對襯砌體的凍漲力，因此，應用較多。

2）保溫板厚度計算

聚苯乙烯保溫板的取用厚度， 根據工程實踐和熱工計算，一般可取設計凍深值的1/10～1/15。如用量較多，為節省材料和安全起見應進一步通過熱工計算復核確定。

Hb＝mb（H/m上-hs/ms），Hb、hs——聚苯乙烯保溫板和砼板的厚度（m）；mb、m上、ms——聚苯乙烯保溫板、渠床基土、砼板的導熱系數（w/m*h。 c）；H——等效土層厚度（m）。

此處，H 取設計凍深值；hs＝0.06；ms可取1.74；m上與土的性質有關；mb＝0.04。

經計算，確定渠道保溫板厚度在2～4 厘米。

3 從施工入手，防止凍害

3.1 施工保證良好的排水系統。基土水分含量是影響凍脹的重要因素，在施工過程中，要按照設計排水要求，降低土壤含水量。

3.2 保證防滲工程質量，防止漏水。 在鋪設防滲土工膜時要處理好材料的接縫，處理好混凝土板變形縫的填料，在施工過程中，不能刺破防滲層，刺破后必須粘補密封。 避免影響防滲效果。

3.3 土方回填碾壓要保證質量，達到設計要求的壓實度。

3.4 保溫材料鋪設時要粘結牢固， 鋪設滿足設計尺寸要求，不能出現少鋪、漏鋪現象。 施工過程中不得人為踩踏保溫板和放置重物，避免造成保溫板斷裂，破壞保溫板的整體性，影響保溫效果。

4 從管理運行入手，防止凍害

4.1 易受冰壓損壞的部位，可采用人工、機械破冰或其他措施擾動等防護措施。

4.2 冰凍期注意排干積水，降低地下水位，減壓排水孔應及時清淤，保持暢通。

4.3 采用草、土料或其他材料覆蓋保溫。

4.4 加強檢查，對襯砌表面，特別是設計水位線附近出現的剝蝕和裂縫及時修補，避免造成更大的破壞和損失。

4.5 輸水渠出現冰凌時，特別要加強輸水渠彎道處及建筑物前的巡查，防止冰塊在彎道處和建筑物前堆積堵塞，抬高水位，造成漫堤，形成災害。

5 結語

國內外許多工程實踐證明：采取單一措施是難以達到防治襯砌工程的凍害、冰害的目的，要針對產生凍脹的因素，采取有主有次的綜合措施。 不但是規劃布置、渠道設計、排水、保溫、襯砌結構等措施經濟合理，而且要重視施工質量、管理維修，才能達到滿意的防凍害效果。

［1］SL211-98 水工建筑物抗凍脹設計規范[S].1998.

［2］王喜民，步豐湖.河套灌區骨干渠道襯砌工程的試驗與探討[J].中國水利，2004，3.

［3］王流泉，趙文清，姚麗華.南水北調中線工程渠道防凍脹設計中的幾個問題[J].南水北調與水利科技，2004，5.