淺談渠道抗凍脹設計

□周 全（新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院）

淺談渠道抗凍脹設計

□周 全（新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院）

我國有規模地開展渠道防滲始于20世紀60年代，渠道防滲形式主要有塑模、混凝土預制或現澆板、漿砌石等。在北方季節性凍土地區，這些防滲工程均存在不同程度的凍脹破壞問題，往往在修建數年后即遭到破壞，給渠道的管理和運行造成諸多困擾。20世紀七八十年代以來，關于對渠道防滲工程的凍脹問題開展了多項試驗與研究，并取得了一系列研究成果，使渠道凍脹防治技術取得了突破性進展。文章分析了嚴寒地區渠道產生凍脹的原因，著重闡述渠道做抗凍設計時應注意的問題，并提出了對渠道防治凍害的有效措施。

收集；基礎資料；抗凍脹設計；條件；抗凍脹計算；抗凍材料

0 前言

輸水渠道的防滲襯砌能起到防滲、降低水量損耗、保護岸坡穩定、提高用水效益的作用，是有效的節水工程措施。但在實踐中，由于渠道處于嚴寒地區，常受到季節氣溫變化的影響，產生了凍脹破壞。如新疆北屯某地區，屬典型大陸型干旱氣候，最冷月平均氣溫為-22.6℃，極端最低氣溫-37.8℃。最大積雪厚度為18cm，最大凍土深度為180cm。該地區是地下水的徑流區、賦存區，地下水主要為第四系孔隙潛水，區內主要受大氣降水及河流垂直入滲補給。低山丘陵區、山前傾斜平原和河流沖洪積平原地下水主要為第四系孔隙型潛水，受大氣降水及河流側向補給。含水層為第四系砂礫石、中粗砂，含水層厚度5～15m，孔隙率約為10%～20%，透水性好，沿和布克河流向，含水層厚度逐漸減小。主要土壤類型有灰漠土、灰棕漠土、鹽土、灌木林土和風砂土。其中灰漠土是主要土壤類型。

該灌區混凝土渠道修建年代久遠，防滲渠道遭凍脹破壞嚴重，每年要耗費大量人力、物力、財力進行維修。因此，在工程設計與施工時，對嚴寒地區防滲渠道凍脹機理進行分析、計算，并采取相應的工程措施是非常必要的。

1 收集基礎資料

1.1 氣象資料（由水文專業收集）

最冷月平均氣溫（統計系列年限不少于最近20a），判斷該地區寒冷程度。氣象臺觀測資料：嚴寒，最冷月平均氣溫t<-10℃；寒冷，最冷月平均氣溫-10℃≤t≤-3℃；溫和，最冷月平均氣溫t＞-3℃。確定混凝土強度C、抗滲W、抗凍指標F；混凝土最小厚度；混凝土最大水灰比。

歷年最大凍土深度，統計資料系列不宜短于20a。氣象站觀測值計算設計凍深。（老規范用標準凍深計算）

1.2 地質資料(由工程地質專業提供）

土的種類（粉土、粘土、砂礫）、顆粒組成（0.075mm）、塑限、液限。

計算點凍前地下水埋深，當地或臨近氣象臺凍前地下水埋深。用地表凍脹量h或地基土凍脹量hf判斷土的凍脹級別，對應采取工程措施，見表1。（注：表1用的地基土凍脹量）

hf—基礎結構下凍土層產生的凍脹量（cm）；h—工程地點天然凍土層產生的凍脹量（cm）；Zd—工程地點的天然設計凍深（m）。

表1 土的凍脹級別（SL211-2006）表

地表凍脹量應通過現場實測確定，野外凍脹量的觀測方法按《土工試驗規程》SL237-1999執行。在沒有實測資料的情況下SL23-2006規定4、5級建筑物可以查規范圖。SL211-2006規范未對建筑物級別分類，可根據規范公式或查圖計算。（1、2、3級建筑物）凍脹量計算建議采用SL211-2006規范附錄C計算，分類更加詳細。

從凍脹量圖上可以看出，在設計凍深不變的情況下，地下水位埋深越淺，凍脹量越大。

1.3 使用主要規范

《水工建筑物抗冰凍設計規范》SL211-2006，適用于新建或改建的1、2、3級水工建筑物的抗冰凍設計，4，5級建筑物可參照執行。

《渠系工程抗凍脹設計規范》SL23-2006，適用于季節凍土凍深>10cm地區的渠道襯砌和凍深>30cm地區的渠系建筑物抗凍脹設計。

《渠道防滲工程技術規范》SL18-2004，適用于農田灌溉、發電引水、供水等渠道防滲工程的設計、施工、測驗和管理。

2 抗凍脹設計條件

（《渠道防滲工程技術規范》SL18-2004,6.6.1條）渠道防滲工程環境同時具備土質、凍深、水分3個條件時，應進行防凍脹設計。

2.1 土質

細粒土及粒徑<0.075mm的土粒重量超過土樣總重量10%的粗粒土（指礫石類土和砂類土）為凍脹性土。（按《渠系工程抗凍脹設計規范》SL23-2006，3.3.1條確定）

粉粒含量高的粉質土凍脹性最強，粘粒含量高的粘性土次之，砂粒土類，由于不存在薄膜水，凍結時基本不發生水分遷移，故不存在凍脹性。粒組劃分標準見表2。

表2 粒組劃分標準（GB50021—94）表

粘土的凍脹性較粉質土為小，是因為粘土雖有較厚的結合水膜，但毛細孔隙很小，水分在遷移過程中受到的阻力很大，沒有暢通的水源補給通道，所以其凍脹性反而小。

粉土是指粒徑>0.075mm的顆粒含量不超過總質量的50%，且塑性指數Ip≤10的土。粉土是介于砂土和粘性土之間的過渡性土類，它具有砂土和粘性土的某些特征，根據粘粒含量可以將粉土再劃分為砂質粉土和粘質粉土。

粘性土是指塑性指數>10的土。根據塑性指數大小，粘性土可再劃分為粉質粘土和粘土2個亞類，當1017時為粘土。

2.2 凍深

標準凍深（臨近工程地點氣溫條件相近的氣象站觀測系列不短于20年的歷史最大凍深平均值）>0.1m。

2.3 水分

凍結初期土的含水量>0.9倍塑限含水量；或地下水位至渠底的埋深小于土的毛管水上升高度加設計凍深。

海森（A.Hazen）提出了下面經驗公式

H0—毛細水實際上升高度，m；C—系數，一般C=(1-5)×10-5m2；e—土的孔隙比；d10—土的有效粒徑，m。

經驗分析：砂類土最大0.2～0.3m，粉類土0.9～1.5m，粘性土不及粉土，上升速度也慢。粉砂、粉土和粉質粘土上升高度大，上升速度快。

渠基水分來源：渠道滲漏水成為渠床水分主要來源之一，增強了水分遷移和凍脹強度。渠道通過高地下水位區，成為水分遷移的充分補給來源，使渠道發生強烈凍脹。渠道兩側耕地、灌水溝、林帶灌水產生回歸水成為渠床水分的來源，可以造成強烈凍脹。

3 抗凍脹計算

計算內容：渠道襯砌結構及板式護面結構的凍脹位移量。

目的：計算置換材料的厚度。

3.1 設計凍深Zd

Zd—設計凍深，m；ψd—日照及遮蔭程度修正系數；ψia值根據渠道走向和中國氣候區的劃分查規范圖3.1.4查?。籞m—歷年最大凍深；ψw—地下水對凍深的影響系數；Zw0—臨近氣象臺凍前地下水位深度；Zwi—計算點至凍前地下水位深度。

3.2 基礎設計凍深計算

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23—2006)規定，當基礎板厚度≤0.5m時，基礎設計凍深可按下式計算：

Zf—基礎設計凍深，m；δw—基礎上面的冰層厚度，m；δw=0；δc—基礎板厚度（襯砌厚度）。

計算基礎凍脹量，判定凍脹級別。

4 抗凍材料選擇

利用天然凍脹量或者基礎凍脹量判定渠道凍脹級別后，渠道凍脹級別≥Ⅲ級時，SL23-2006第5.1.5條“置換時應采用非凍脹性土置換渠床原狀土”；SL211-2006規范要求渠道抗凍脹按SL23-2006執行；SL18-2004第6.6.5條“在防滲結構下設置保溫層（如聚苯乙烯泡沫塑料板、高分子防滲保溫卷材等）”、“非凍脹性土置換渠床凍脹性土”。

渠基土可用非凍脹性土置換或者采取保溫措施，“同一斷面的不同部位可采用不同的抗凍脹措施”。

非凍脹性土的定義：SL23-2006第3.3.1條，粗粒土中粒徑<0.075mm的土粒重量占土樣總重量10%及以下時，為非凍脹性土。特點：透水材料。

保溫措施材料：聚苯乙烯泡沫塑料板、高分子防滲保溫卷材其性能見SL18-2004表4.1.13-1，表4.1.13-2。特點：吸水率，浸水96h，體積分別<2%和1%。不透水。要正確選擇防凍材料，建議優先選用砂礫石材料。

4.1 非凍脹性土的換填厚度

根據SL23-2006規范（5.1.5）確定：

ε—置換比(%)，按規范表5.1.5取值；δ0—襯砌板厚度，m；Zn—置換厚度，m；Zd—置換部位的設計凍深，m。

4.2 保溫材料置換厚度

SL23-2006第5.1.7條規定，厚度按附錄A規定的方法確定。

SL18-2004第6.6.5條規定，“大型渠道的保溫層厚度，通過熱工計算確定；中型、小型渠道，采用聚苯乙烯泡沫塑料板或高分子防滲保溫卷材時，其厚度可取設計凍深的1/10～1/15。

[1]孫秀杰.淺談渠道凍脹處理方式比較分析[J].水利科技與經濟，2007(8).

[2]陳亮.新疆地區襯砌渠道凍脹破壞及其防治措施[J].中國農村水利水電，2004(9).

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2013-12-20

李 迪）