渠道襯砌防凍脹設(shè)計(jì)

曹永帥

（開(kāi)封市汴龍勘察設(shè)計(jì)中心）

1 工程背景

河南省東部黃淮平原的M 灌區(qū)占地面積4 344.20 km2，規(guī)劃灌溉面積21.73萬(wàn)hm2，其中充分灌溉面積13.60萬(wàn)hm2，非充分灌溉面積8.13萬(wàn)hm2。X干渠自二壩寨節(jié)制閘上游左岸閘孔引水，東北向穿過(guò)四明河，跨越蘭菏公路至黃口止，樁號(hào)0+000～2+450，全長(zhǎng)24.50 km，灌溉面積0.68 萬(wàn)hm2，是向蘭考縣北部農(nóng)田輸水的主要分干渠，設(shè)計(jì)流量三村兩孔節(jié)制閘以上9.50 m3/s，三村兩孔節(jié)制閘以下5.70～3 m3/s。

2 渠道襯砌方案

針對(duì)渠道提出全斷面采用C20F200W6 現(xiàn)澆混凝土板襯砌，混凝土板厚10 cm，下設(shè)45 cm厚砂礫石墊層方案（方案一）以及渠底采用C20F200W6現(xiàn)澆混凝土板襯砌，混凝土板厚10 cm，下設(shè)45 cm厚砂礫石墊層，邊坡采用C20F200W6預(yù)制混凝土板襯砌，混凝土板厚8cm，預(yù)制板下為2 cm砂漿找平層，下設(shè)45 cm厚砂礫石墊層方案（方案二），詳見(jiàn)表1。

表1 渠道襯砌結(jié)構(gòu)型式比較表

通過(guò)綜合比較，灌區(qū)干渠渠道最終推薦采用方案一，即全斷面現(xiàn)澆混凝土板襯砌的方案。

3 渠道襯砌防凍脹設(shè)計(jì)

由于渠道建筑物基礎(chǔ)主要為粉土、粉砂，其粒徑小于0.75×10-1mm的土粒含量大于總土重的10%，屬于凍脹性土，因此需要對(duì)渠道建筑物進(jìn)行抗凍脹設(shè)計(jì)。首先由設(shè)計(jì)凍深Zd計(jì)算出地基土設(shè)計(jì)凍深Zf，然后算出地表凍脹量h和地基土的凍脹量hf，再由建筑物底板允許法向抗凍脹力［σ］求出基礎(chǔ)置換比ε，從而確定置換厚度。

3.1 基本參數(shù)的確定

3.1.1 實(shí)測(cè)歷年最大凍深Zm

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211-2006）和《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第三版）判斷，本工程區(qū)歷年最大凍深為0.38 m，最小凍深0.18 m，計(jì)算設(shè)計(jì)凍深采用Zm=0.38 m和0.18 m。

3.1.2 設(shè)計(jì)凍深Zd

依照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211-2006）中所給出的設(shè)計(jì)公式，本渠道干渠抗凍脹設(shè)計(jì)凍深應(yīng)當(dāng)按照下式進(jìn)行量化計(jì)算：

式中：Zd—本灌區(qū)干渠渠道抗凍脹設(shè)計(jì)凍深值（m）；Zm—?dú)v年最大凍深實(shí)測(cè)值（m）；Ψd—日照及遮陰程度影響系數(shù)，Ψi—典型斷面某部位的日照及遮蔭修正系數(shù)，查SL211-2006得Ψi=1.15；α—系數(shù)，由SL211-2006 表B.1.1-1 查得；ΨW—地下水影響抗凍脹設(shè)計(jì)的修正系數(shù)；β—調(diào)整系數(shù)，根據(jù)SL211-2006的規(guī)定，取β為0.63；ZWO—灌區(qū)所在地（如有）或鄰近氣象臺(tái)（站）（如無(wú)）凍脹發(fā)生之前地下水位實(shí)際深度值，考慮到本灌區(qū)粉土質(zhì)砂的地質(zhì)條件，故ZWO取2.50 m；ZWi—計(jì)算點(diǎn)凍脹發(fā)生之前地下水位的實(shí)際深度（m），考慮冬灌時(shí)地下水上升的客觀情況，應(yīng)當(dāng)根據(jù)渠底高程進(jìn)行地下水位實(shí)際深度的計(jì)算。

灌區(qū)渠道設(shè)計(jì)凍深的計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)凍深Zd計(jì)算表

3.1.3 地基土設(shè)計(jì)凍深

式中：Zf—地基土設(shè)計(jì)凍深（m）；δc—涵閘底板（或墻）的厚度（m），取δc=0.10m；δw—凍前底板上面的冰層厚度（m），取0.00 m。

根據(jù)X干渠實(shí)際情況，渠道一般是在12月20日開(kāi)始停水，停水時(shí)間一般為30 d～45 d，因此渠道按冬季不過(guò)水設(shè)計(jì)?；A(chǔ)設(shè)計(jì)凍深Zf計(jì)算如表3。

表3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深Zf計(jì)算表

3.1.4 地表凍脹量h

粉土、粘土、細(xì)粒土質(zhì)砂地表凍脹量按下式計(jì)算：

式中：h—本灌區(qū)渠道地表實(shí)際凍脹量（cm）；Zd—灌區(qū)渠道設(shè)計(jì)凍深值（cm），如果進(jìn)行地基土凍脹量實(shí)際值hf的計(jì)算，則應(yīng)采用灌區(qū)渠道地基土設(shè)計(jì)凍深Zf代替渠道設(shè)計(jì)凍深值；Zw—凍脹發(fā)生之前（即在灌區(qū)渠道凍結(jié)初期）灌區(qū)渠道天然地表或設(shè)計(jì)地面高程起所計(jì)算得地下水位實(shí)際埋深（cm），為計(jì)算地基土凍脹量hf，應(yīng)當(dāng)自底板底面高程起進(jìn)行渠道地下水位實(shí)際埋深的計(jì)算。

3.1.5 地基土凍脹量

灌區(qū)地基基礎(chǔ)以下土（即地基土）的凍脹量主要采用《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》所提供的公式和算法進(jìn)行確定，具體如下：

式中參數(shù)含義同前。根據(jù)本灌區(qū)渠道工程實(shí)際情況，所計(jì)算得基礎(chǔ)下土凍脹量的結(jié)果如表4。

表4 基礎(chǔ)下土凍脹量hf計(jì)算結(jié)果表

3.2 抗凍脹工程措施

本方案采用非凍脹性土質(zhì)置換渠床凍脹性土的抗凍脹措施，換填材料采用砂礫石，《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》SL211-2006具體規(guī)定，灌區(qū)渠道粗粒土內(nèi)粒徑在0.75×10-1mm及以下的土粒重量應(yīng)當(dāng)在土樣總重量中的占比不超過(guò)10%。換填層厚度采用換填比法計(jì)算：

式中：δ0—襯砌板厚度（cm）；ε——置換比（%）

根據(jù)相關(guān)公式及本灌區(qū)渠道實(shí)際情況，本工程換填厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 建筑物基礎(chǔ)土置換深度計(jì)算表

根據(jù)地質(zhì)勘探試驗(yàn)及相關(guān)計(jì)算結(jié)果，本灌區(qū)渠道起訖樁號(hào)為0+236～2+450段的凍脹等級(jí)為Ⅱ級(jí)，發(fā)生凍脹的可能性很大，故必須進(jìn)行凍脹土的換填。經(jīng)計(jì)算并結(jié)合類似工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)在混凝土板下增設(shè)厚度10 cm的砂礫石防滲抗凍脹墊層。

4 結(jié)論

結(jié)合相關(guān)規(guī)范及灌區(qū)實(shí)際，進(jìn)行了灌區(qū)襯砌渠道抗凍脹設(shè)計(jì)計(jì)算的初步論述，并提出灌區(qū)適用的抗凍脹措施。文章分析結(jié)果表明，渠道襯砌工程抗凍脹設(shè)計(jì)必須充分考慮項(xiàng)目區(qū)自然條件、工程水文地質(zhì)條件，保證抗凍脹設(shè)計(jì)中各項(xiàng)參數(shù)取值的合理性。文章所提出的抗凍脹措施在類似灌區(qū)應(yīng)用廣泛，能確保渠道襯砌體的穩(wěn)定安全性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。