混凝土防渗衬砌渠道抗冻胀设计应用浅析

1混凝土防渗衬砌渠道抗冻胀设计应用浅析摘要：本文以伊犁河谷地重大工程团结渠灌区一期土地开整理项目混凝土防渗衬砌渠道抗冻设计为例，简要论述了新疆伊犁河谷地重大工程团结渠灌区混凝土衬砌渠道抗冻胀设计的计算方法，分析地下水埋深与混凝土衬砌渠道设计冻深的关系，进行衬砌结构抗冻胀稳定计算，确定相应的抗冻胀措施。计算结果表明，渠道设计冻深随地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而增加，设计冻深与工程区标准冻深值成正比；基础冻胀量随工程区地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而递减；混凝土衬砌渠道阴坡冻胀量最大。在渠道衬砌工程抗冻胀设计中，设计人员要掌握灌区气象资料、工程地质及水文地质条件、冻土资料等，合理确定抗冻胀设计中的各种参数，以此保证设计的准确性。关键词：冻胀条件;设计冻深;冻胀量;防冻措施0、绪论我国西部区域的新疆，大部分地区处于干旱区，年均降水量147.4mm（大部分地区降水量少于200mm），年降水总量仅占全国的3.92%，在新疆，没有灌溉就没有农业，农业耕作全靠灌溉方式实施。而现状农业用水占水资源总使用量97%，随着工业化、城市化的发展，农业用水将进一步紧张。据统计新疆自治区每年从渠道渗漏掉的水量约为21亿m3。所以，建好渠道防渗工程，堵住这个浪费水的大洞，提高渠系水利用率，是实现节水型农业的重要工程措施。20世纪50年代新疆已开始渠道防渗衬砌技术的应用于研究，衬砌防渗的主要结构形式有砌石、混凝土预制板、现浇混凝土板、塑料薄膜及塑膜加保护层的复式结构等。在新疆高寒地区，这些防渗工程均存在不同程度的冻胀破坏问题，不仅直接影响渠道的正常使用，浪费了水资源，而且增加了修复次数和工程费用。因此，研究混凝土衬砌渠道抗冻胀设计具有现实意义。21、项目概况1.1项目地理、气候条件项目区属于伊犁河流域分灌区之一团结灌区范围内，团结灌区从特克斯河山口引水枢纽引水，属于恰甫其海水库的效益工程，本次伊犁河谷地重大工程团结渠灌区土地开发整理一期工程从团结渠灌区前进支干渠引水，经过阿克塔木牧业支渠到达项目区。地理位置：东经82°23′04″～82°28′54″、北纬43°33′03″～43°35′53″。输水支、斗渠均采用混泥土板衬砌防渗、砂砾石置换渠基土结构形式。项目区气候属于北温带大陆性气候类型，特征：东长夏短；夏凉而无干热；冬长而寒冷，寒潮较多。其特征值如下：最冷月平均气温-11.2℃，年平均气温为8.3℃，历年极端最高气温为39℃，历年极端最低气温为-30℃；多年平均降水量为256.6mm，多年平均蒸发量为1437mm，最大冻深为106cm，多年平均冻深为75cm；平均风速为3.2m/s，实测最大瞬时风速为28m/s，主要大风为东风。1.2渠道工程地质特点渠道工程地质特点：①支、斗渠沿线0~1.5m为低液限粘土，土黄色为主，可塑~硬塑，天然含水量22.3%~32.2%，液限33.7%~38.6%，塑限15.8%~24.1%，具弱透水性。②工程区勘测期间低水位埋深在0.8m~2m。③场地沿线为冻胀土基，设计时必须考虑场地冻胀问题。④本区筑堤土料及砂砾石料场储量丰富，且符合质量要求。⑤渠线区域地质构造稳定，地震基本烈度为8度。2、混凝土衬砌渠道渠道抗冻胀设计2.1衬砌渠道抗冻胀设计条件抗冻胀设计条件为：①土质中粒径小于0.05mm的细颗粒质量分数超过6%；②标准冻深取多年平均冻深0.75m；③场地地下水埋深较浅，土层中含水量较大，冻结初期土层含水量均大于0.9倍的塑限含水量，粘土毛水管上身高度为2m，大于工程区内的地下水埋深。依据《渠道防渗工程技术规范》（SL18-2004）和《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006）要求，对项目区混凝土衬砌渠道必须进行抗冻胀设计。32.2衬砌渠道抗冻胀设计内容（1）设计冻深计算根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23—2006）渠系工程的设计冻深可按公式①计算：mwddZZ①式中：dZ——渠系工程设计冻深（cm）；mZ——历年最大冻深（cm），取106cm；d——考虑日照及遮阴程度的修正系数（id)1(）；w——地下水影响系数，wiwzezew110Zwi——计算点的冻前地下水位深度，取0.8m（m）；Zwo——临近气象站冻前地下水位埋深（m）；经调查巩留县气象站冻前地下水位埋深取Zwo=2.0m。β——系数，查规范取0.63。具体计算参数取值及衬砌渠道不同走向、不同位置设计冻深计算结果见表1。表1设计冻深计算表单位：m渠名走向部位ZddwZmiαZwiZwoβ分干、支、斗渠N-S阴面0.951.060.851.061.10.420.820.63阳面0.951.060.851.061.10.420.820.63底面0.961.070.851.061.10.330.820.63E-W阴面1.191.320.851.061.1-2.240.820.63阳面0.580.650.851.061.14.530.820.63底面0.951.060.851.061.10.410.820.63根据地勘资料，设计渠道沿线地下水埋深0.8~2m，分别代入公式①计算可知，衬砌渠道冻胀与地下水埋深关系密切，设计冻深随地下水埋深的增加而增加，但是当地下水埋深大于2m后设计冻深增长缓慢。（2）冻胀量计算及冻胀等级确定根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23—2006），基础结构下冻土层产生的冻胀4量hf可按公式②计算：dffZhZh/②式中：hf——基础结构下冻土层产生的冻胀量（cm）；h——工程地点天然冻土层产生的冻胀量（cm）；fZ——基础设计冻深（cm）；wcdfZZ6.135.0式中：c——基础板厚度，c=8厘米；w——底板之上冰层厚度，w=0；根据计算可以发现，衬砌渠道基础冻胀量随工程区地下水埋深增加而递减，表明地下水埋深对衬砌结构的冻胀影响随两者之间垂向距离的增加而消弱。经计算本项目混凝土衬砌渠道底部、坡板（除E-W阳面边板），冻胀量为2.4~4.7cm，其冻胀级别为II级，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》第18页表4.2.2。U型断面混凝土衬砌结构允许法相位移值为2.0~5.0cm，梯形断面混凝土衬砌结构允许法相位移值为0.5~1.0cm。由于本项目混凝土板衬砌渠道要满足灌区的冬灌，在结冰期来临时，渠侧的地下水埋深均较其他季节高，故为工程运行安全考虑，本设计渠道衬砌结构均需采取抗冻胀措施。渠道基础冻胀量计算参数取值及冻胀量计算结果见表2。表2渠道底板、边板冻胀量及冻胀性级别表单位：cm渠名走向部位hfZfZdδcδwh冻胀级别支渠、斗渠、分斗渠N-S阴面2.44592.7694.68802.5II阳面2.44592.7694.68802.5II底面2.49493.5695.66802.55IIE-W阴面3.143116.61118.71803.2II阳面1.73555.9158.01801.8II底面2.52392.8594.95802.58II（3）抗冻胀措施确定根据《新疆维吾尔自治区土地开发整理工程建设标准》规定渠道防冻胀可采取设置非冻胀性土的置换或苯板保温层两种方法，按照就地取材和节省投资的原则，本设计就近采用当地的砂砾石做防冻层。砂砾石换填厚度按公式③进行计算：50εdeZZ③式中：Ze——置换深度（cm）；0——衬砌板厚度（cm）；本次设计混凝土衬砌厚度底面、坡面均为8cm。ε——置换比（%），根据工程地质条件，坡面上部取60-80%，坡面下部、渠底取80-100%。根据上述计算抗冻胀计算，各渠道可根据走向、地下水埋深计算设计冻深值并计算换填层厚度，为了便于施工，本设计对计算结果进行统计归纳，实际采用值见表3。若采用保温板进行防冻胀，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23—2006）附录A公式（A.0.2）确定保温板厚度。表3渠道底板、坡板砂砾石换填层厚度单位：m渠名走向部位ZeZdεδ0支渠、斗渠N-S阴面0.400.950.60.080.500.950.80.08阳面0.400.950.60.080.500.950.80.08底面0.700.9610.08E-W阴面0.501.190.60.080.701.190.80.08阳面0.200.580.60.080.300.580.80.08底面0.700.9510.083、衬砌渠道冻胀设计特点分析（1）衬砌渠道冻胀与工程区地下水埋深关系密切，渠道设计冻深随地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而增加，但当相对距离大于2m后设计冻深增长缓慢。阴坡设计冻深最大，底面设计冻深其次，阳坡设计冻深最小。②设计冻深与当地标准冻深成正比；在其他条件相同的情况下，标准冻深值越大设计冻深值也同比增长。③基础冻胀量随工程区地下水埋深与基础之间的垂向距离的增加而递减，表明地下水位对衬砌结构的作用是随相对距离的增加而削弱；地下水埋深与基础之间的垂向距离大于2m后，基础冻胀量随地下水埋深增加衰减缓慢。6④阴坡冻胀量最大，底面冻胀量其次，阳坡冻胀量最小。在实际应用中应充分注意衬砌渠道阴坡坡脚，此处为冻胀变形最大的部位，可由下部至上部合理简化防冻措施，减小防冻层的厚度，这样不仅保证了工程的安全运用也可节省投资。由于阳坡冻胀量较小不会影响渠道的安全运用，设计水面线以上部分可以考虑简化防冻措施或不采取防冻措施。4、结束语防渗衬砌渠道工程抗冻胀设计中,关键问题是在设计前要掌握工程区有关土的冻胀性和应用材料的各种参数指标,才能保证设计的正确性。无论那一种抗冻胀措施，其目的都是要保证衬砌体的安全性和稳定性要求，也应满足技术经济指标和实用性，从此点出发，对各种抗冻胀措施都需要因地制宜的对待，寻求经济技术最优的抗冻胀形式。渠道冻胀破坏是影响衬砌防渗效果和渠系工程发挥效益的主要原因之一,只有从规划、设计、施工和管理等各方面入手,采取综合防治措施,在工程材料、结构型式、设计方法、施工工艺等方面深入研究,形成更加系统的渠道防渗防冻胀工程技术,才能有效地削减、消除和回避冻胀,节省人力物力,节约水资源,提高工程耐久性,充分发挥工程效益。参考文献：[1]SL18-2004，《渠道防渗工程技术规范》[s][2]SL211-2006,《水工建筑物抗冰冻设计规范》[s][3]SL23—2006,《渠系工程抗冻胀设计规范》[s][4]刘世春,张力平,混凝土衬砌渠道抗冻胀设计特点,水利水电科技进展，2008.8,28(1)