聚苯乙烯泡沫板在北安市宏偉水庫泄洪洞中的應用

呂仁國，謝 宇

(1.黑河市愛輝區水務局，黑龍江黑河164300;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

0 前言

在北方寒冷地區，冬季由于土層中的水分結冰后體積增大，冬季有的水工建筑物基礎底面會產生向上的凍脹力，使基礎抬起產生不均勻變形，甚至使基礎斷裂破壞或造成基礎傾斜、失穩，嚴重地影響了水工建筑物的正常運行。水工建筑物凍脹處理大多以換填砂礫石為主，由于換填砂礫石這種方法極易產生滲漏通道，造成滲透破壞，在作為保溫防凍的材料上有被聚苯乙烯泡沫板取代的趨勢。

1 抗冰凍措施設計

北安市宏偉水庫泄洪洞的結構形式為鋼筋混凝土結構，為防止凍脹破壞，基礎及墻后抗冰凍措施設計如下，見圖1。

圖1 宏偉水庫泄洪洞基礎保溫設計圖

1.1 泄洪洞基礎設計凍深計算

泄洪洞基礎設計凍深按照《水工建筑物抗冰凍》設計規范(SL211—2006)如下公式計算:

式中:Zd為設計凍深，m;ψd為日照及遮蔭程度影響系數;ψw為地下水修正系數;Zm為實測歷年最大凍深，m;Zm=2.50 m;ψi為典型斷面某部位的日照及遮蔭程度影響修正系數;α、β為系數，可按表1、2查得;Zwo為鄰近氣象臺的凍前地下水位深度，m;Zwi為計算點的凍前地下水位深度，m;Zf為地基土設計凍深，m;R為底板熱阻，m2·℃/W;R0為設計熱阻，查表9.4.2-1內插，取R0=3.17(m2·℃/W);δw為凍前底板上的水深;δc底板(或墻)的厚度;λc為混凝土的熱導率，取λc=1.74［W/(m·℃)］。

表1 泄洪洞基礎設計凍深計算表

1.2 墻后換填厚度計算

1.2.1 地基土設計凍深計算

選取消力池段作為典型計算斷面，取距槽底上表面0.5 m處為計算點，按公式得計算點設計凍深Zd=2.58 m;考慮底板的熱阻作用后計算點(取距槽底上表面0.5 m處的墻后填土位置為計算點)自墻背算起的凍深，即地基土設計凍Zf=1.46 m。

1.2.2 凍脹量的計算

低液限黏土的凍脹量按下式計算:

式中:Zf為地基土設計凍深，cm;hf為地基土凍脹量，cm;Zw為凍前(凍結初期)天然地表或設計地面高程算起的地下水位深度，cm。

經計算:計算點地基土凍脹量hf=4.75 cm。

1.2.3 置換厚度的計算

式中:Zf為地基土設計凍深，m;Ze為墻的置換厚度，m;ε為置換比，可按表9.4.4-1查取，取0.74;

經計算:計算點墻的置換厚度Ze=1.1 m。

1.3 聚苯乙烯泡沫板厚度計算

按照《水工建筑物抗冰凍設計規范》(SL211—2006)，該工程基礎下采用聚苯乙烯保溫板(EPS)，厚度按下式計算確定:

式中:δx、δc為保溫板和底板的厚度，m)，底板的厚度δc=0.5m;R0為設計熱阻，查表9.4.2-1內插，取R0=3.17(m2·℃ /W);λx、λc為保溫板和底板的熱導率取λx=0.041，λc=1.74［W/(m·℃)］;Ψd為日照及遮陰程度影響系數;按照附錄 B中的式(B.1.1-2)計算確定，取Ψd=1.05;K為安全系數，取1.15。

經計算:保溫板厚 度 δx=0.144m，取 δx=0.15m。

通過計算可知，進口U型槽冬季正常蓄水位時水深為1.86 m，起到一定的保溫作用，不需做抗冰凍處理;閘室基礎、洞身基礎考慮其整體性好，基礎與出口U型槽基礎均做一層5 cm厚混凝土墊層、15 cm厚保溫板及一層5 cm厚混凝土墊層共三層處理，進出口U型槽墻后、洞身側壁考慮凍脹影響，做11 cm厚保溫板處理，采取此措施后，放水洞基礎及擋土墻能抵抗冰凍作用。

2 聚苯乙烯泡沫板性能特點

2.1 抗凍性

苯板全名為聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS)，是以聚苯乙烯樹脂為基料，加入發泡劑等輔助材料，經加熱發泡而成的一種優良隔熱保溫材料。苯板導熱系數低，一般＜0.04 W/(m·℃)，具有優良的隔熱性能，在同樣保溫條件下，苯板能確保最小的保溫而滿足建筑物的保溫隔熱需要，同時保溫性能均衡是一種良好的保溫材料。近年來苯板開始逐步運用于水工建筑物中。

2.2 技術性

聚苯乙烯保溫板(EPS)具有密度小、伸縮強度大、表面吸水率低、防滲透性能好的特點，且具有環保、施工簡便、防滲防漏效果好。作為泄洪洞身基礎及側壁防凍脹技術指標要求見表2:

表2 保溫板技術指標

2.3 經濟合理性

宏偉水庫泄洪洞抗凍采用兩方案比較:方案1:泄洪洞基礎及側壁均用砂礫石換填至凍深，泄洪洞洞身換填厚度根據凍結深沿涵洞縱向的分布特點，在距洞口2 m范圍內按當地凍深換基，即基礎厚加換填厚等于凍深zd，而在洞身的其余部分，換填厚度加基礎厚采用0.7 zd，土方量為524 m3，換填砂礫石總量為:264 m3，投資為5.2萬元。方案2:用聚苯乙烯泡沫板代替換填砂礫石，工程投資為:0.8萬元。兩方案比較，方案2不但投資節省4.4萬元，而且縮短了工期。

2.4 施工簡便

泄洪洞身基礎施工時，首先在基礎下鋪5 cm水泥砂漿找平，再在上面平鋪聚苯乙烯泡沫板后，再在聚苯乙烯泡沫板上鋪5 cm水泥砂漿作為墊層，防止鋼筋將聚苯乙烯泡沫板插漏。最后進行混凝土的澆筑;泄洪洞側壁施工時，首先在混凝土及聚苯乙烯泡沫板表面用砂漿并摻加一定比例的膠涂滿刷勻，然后將聚苯乙烯泡沫板貼于混凝土表面并充分壓實，用鋼釘固定后回填。

3 結論

北安市宏偉水庫泄洪洞工程采用聚苯乙烯泡沫板作為保溫材料，對比其它工程的砂礫石回填取得了很好的效果。實踐證明，聚苯乙烯泡沫板具有輕質、高強的化學穩定性和水穩定性、物理化學穩定性好等優良特性，且施工方便簡單等優點是一種理想的水利工程保溫材料。

［1］黑河市水利勘測設計院.北安市宏偉水庫除險加固工程初步設計報告［R］.黑河:黑河市水利勘測設計院，2011.

［2］中華人民共和國水利部.SL211—2006水工建筑物抗冰凍設計規范［S］.北京:水利水電出版社，2006.