引黃調(diào)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(qū)引黃調(diào)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(qū)冬季氣溫低、負(fù)溫持續(xù)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(yùn)行期間必然會出現(xiàn)渠床土壤凍脹現(xiàn)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(jié)構(gòu)本身抗凍性能差，在負(fù)溫下凍結(jié)成冰，體積膨脹引起的應(yīng)力超過材料強(qiáng)度，即產(chǎn)生裂縫，經(jīng)多次凍融循環(huán)而破壞。

1.2 冰壓力造成襯砌結(jié)構(gòu)破壞。冬季輸水期間，水體結(jié)冰，形成冰蓋，隨著冰層加厚，對兩岸襯砌結(jié)構(gòu)的冰壓力也越大。 在此情況下，一是襯砌結(jié)構(gòu)有可能在冰壓力下被直接破壞或?qū)⒁r砌體推上坡，二是當(dāng)水面封凍后，流冰不斷堆積，形成冰塞、冰壩，減小過水?dāng)嗝妫Ц吡怂痪€，可能造成水流漫堤，破壞渠堤。

1.3 襯砌結(jié)構(gòu)下面渠床基土在低溫下凍結(jié)，土體膨脹，超過了襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，造成襯砌結(jié)構(gòu)開裂、隆起，反復(fù)凍融，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失效。

2 從設(shè)計(jì)入手，防止凍害、冰害

根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)破壞類型，抗凍脹設(shè)計(jì)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(tài)下，能經(jīng)受多次循環(huán)凍融而不破壞， 同時也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性能，根據(jù)明渠工程設(shè)計(jì)年限要求，確定萊州膠東引黃調(diào)水明渠工程預(yù)制砼板抗凍等級采用F200。

2.2 渠床基土防凍脹計(jì)算

規(guī)范規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)凍深大于10 厘米的襯砌渠道和暗管、標(biāo)準(zhǔn)凍深大于50 厘米的水閘、涵管等渠系建筑物，均應(yīng)進(jìn)行防凍脹設(shè)計(jì)，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(jù)《水工建筑物抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211－98），結(jié)合萊州市氣象資料對萊州輸水明渠襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行凍脹量計(jì)算如下：

2.2.1 凍結(jié)深度的確定

1）標(biāo)準(zhǔn)凍深

計(jì)算公式為：Zk＝a*I00.5

Zk——工程地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凍深 （cm），I0——凍結(jié)指數(shù)，a——系數(shù)，按規(guī)定選取。 萊州段I0＝201.45，a＝2.96，標(biāo)準(zhǔn)凍深為42.01cm。

2）設(shè)計(jì)凍深

（1）計(jì)算公式

Zd＝∮f*Kd*KW*Zk

Zd——工程設(shè)計(jì)凍深，cm。

∮f——凍深年際變化的頻率模比系數(shù)，可從規(guī)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(biāo)準(zhǔn)凍深

Kd——考慮日照及遮蔭的修正系數(shù)。

KW——地下水影響系數(shù)。

（2）日照及遮蔭影響系數(shù)（Kd）

Kd值與工程地點(diǎn)的氣候、位置（陽面、陰面或底面）有關(guān)。

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

（3）地下水影響系數(shù)（KW）

渠道斷面各點(diǎn)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(xì)管力的作用下，地下水上升，渠底和渠坡都發(fā)生凍脹，渠道輸水時，在冰面附近的渠坡凍漲力最強(qiáng)。

KW＝（1+ae-Zwo）/（1+ae-Zwi）

Zwo——附近氣象站地下水位深度（m）

Zwi——計(jì)算點(diǎn)的地下水位深度（m）

a——系數(shù)，見表1。

表1

（4）設(shè)計(jì)凍深值

H0＝42.01，∮f＝1.34，Kd、KW的值隨不同地點(diǎn)取值不同。 根據(jù)選取的典型斷面計(jì)算結(jié)果，膠東地區(qū)輸水明渠萊州段設(shè)計(jì)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(chǔ)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(shè)計(jì)中可僅考慮地表凍脹量，而不考慮基礎(chǔ)底下地基土凍結(jié)層的凍脹量。

地表凍脹量大小與負(fù)溫、土質(zhì)、水分有關(guān)。 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(jù)設(shè)計(jì)凍深的值，凍脹量的大小可從規(guī)范查圖求得。

經(jīng)過計(jì)算查得，萊州段膠東地區(qū)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(jié)構(gòu)允許法向位移值

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，Ⅰ級工程梯形斷面渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹允許法向位移值為5mm。 由上面計(jì)算結(jié)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(shí)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(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前在國內(nèi)、外得到了廣泛的應(yīng)用。

1）保溫材料的選擇

隨著工業(yè)化的發(fā)展，聚苯乙烯泡沫塑料泡沫板，具有自重輕、強(qiáng)度高、吸水性小、抗老化、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用較多。

2）保溫板厚度計(jì)算

聚苯乙烯保溫板的取用厚度， 根據(jù)工程實(shí)踐和熱工計(jì)算，一般可取設(shè)計(jì)凍深值的1/10～1/15。如用量較多，為節(jié)省材料和安全起見應(yīng)進(jìn)一步通過熱工計(jì)算復(fù)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(dǎo)熱系數(shù)（w/m*h。 c）；H——等效土層厚度（m）。

此處，H 取設(shè)計(jì)凍深值；hs＝0.06；ms可取1.74；m上與土的性質(zhì)有關(guān)；mb＝0.04。

經(jīng)計(jì)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(tǒng)?；了趾渴怯绊憙雒浀闹匾蛩?，在施工過程中，要按照設(shè)計(jì)排水要求，降低土壤含水量。

3.2 保證防滲工程質(zhì)量，防止漏水。 在鋪設(shè)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(bǔ)密封。 避免影響防滲效果。

3.3 土方回填碾壓要保證質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度。

3.4 保溫材料鋪設(shè)時要粘結(jié)牢固， 鋪設(shè)滿足設(shè)計(jì)尺寸要求，不能出現(xiàn)少鋪、漏鋪現(xiàn)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(yùn)行入手，防止凍害

4.1 易受冰壓損壞的部位，可采用人工、機(jī)械破冰或其他措施擾動等防護(hù)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(yīng)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(qiáng)檢查，對襯砌表面，特別是設(shè)計(jì)水位線附近出現(xiàn)的剝蝕和裂縫及時修補(bǔ)，避免造成更大的破壞和損失。

4.5 輸水渠出現(xiàn)冰凌時，特別要加強(qiáng)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(zāi)害。

5 結(jié)語

國內(nèi)外許多工程實(shí)踐證明：采取單一措施是難以達(dá)到防治襯砌工程的凍害、冰害的目的，要針對產(chǎn)生凍脹的因素，采取有主有次的綜合措施。 不但是規(guī)劃布置、渠道設(shè)計(jì)、排水、保溫、襯砌結(jié)構(gòu)等措施經(jīng)濟(jì)合理，而且要重視施工質(zhì)量、管理維修，才能達(dá)到滿意的防凍害效果。

［1］SL211-98 水工建筑物抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1998.

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

［3］王流泉，趙文清，姚麗華.南水北調(diào)中線工程渠道防凍脹設(shè)計(jì)中的幾個問題[J].南水北調(diào)與水利科技，2004，5.