南水北調石津干渠工程渠道防凍脹設計

張 瀟

南水北調石津干渠工程渠道防凍脹設計

張 瀟

（保定市西大洋水庫管理處，河北保定072350）

石津干渠工程是河北省南水北調配套工程跨市干渠工程之一，地處淺層季節凍土區，冬季基土凍脹對渠道混凝土襯砌有很大的破壞作用。防凍脹設計既要保證工程安全，又要盡量減少工程造價，達到技術可行、經濟合理、安全可靠的目的。計算了渠道護砌下的凍脹量，并提出防凍脹措施：在地下水位高于渠道設計渠底渠段及河灘地段，采用置換砂礫料措施防凍，經計算置換厚度為0.3～0.4 m，其它部位以及砂礫層組成按排水要求設計；地下水位較低渠段，采取保溫板措施防凍，東西走向渠道保溫板厚度陰坡0.06 m、陽坡0.04 m，其它走向渠道渠坡保溫板厚度為0.06 m。

南水北調；石津干渠；防凍脹

石津干渠工程是河北省南水北調配套工程跨市干渠工程之一，主要供水對象為石家莊市、衡水市、滄州市以及干渠沿線和大浪淀水庫、衡水湖周邊縣（市）。石津干渠工程渠首為南水北調中線總干渠的田莊分水口，終點為衡水市的衡水湖和滄州市的大浪淀水庫。該工程引水渠道穿過河北省最大的灌區——石津灌區，并與灌溉渠道結合。石津干渠供水系統多年平均引江供水量約10.5億m3，其中石家莊市4.16億m3、衡水市3.1億m3、滄州市3.24億m3。

1 工程概況

1.1 水文氣象

石津干渠配套工程穿越海河流域的子牙河和黑龍港兩大水系，共涉及較大河流10條，其中行洪河道3條，分別為太平河、滏陽新河、南運河；排瀝河道7條，分別為邵村排干（并行）、龍治河、滏陽河、滏東排河、老鹽河、清涼江、江江河等。并與多條小型河道和灌溉渠道交叉。

石津干渠所在區域屬暖溫帶大陸性季風氣候區，多年平均年降水量470～558 mm，多年平均水面蒸發量為941～1 339 mm。干渠沿線地區多年平均氣溫12.3～13℃，月平均最低氣溫出現在1月，為-4.2～-2.7℃。沿線地區春夏季多南風和西南風，秋冬季多北風，多年平均風速1.8～3.4 m/s，最大風速16～20 m/s。最早地面穩定凍結日期在11月 16—30日，最晚開始解凍日期在2月22日—3月15日。歷年最大凍土深0.45～0.61 m。

1.2 工程地質

石津干渠沿線在地貌類型上可分為兩部分，即西部（晉州以西）屬于太行山山前傾斜平原，地勢西高東低；東部（晉州以東）屬于冀中平原區，地形總體比較平坦開闊。

根據區域地質資料及勘察成果，工程區的地層為第四系全新統地層，大部分屬于洪積及沖積成因，局部夾有湖沼積成因的地層。分布的巖性主要有壤土、砂壤土、黏土、細砂、中砂及粗砂等。

石津干渠沿線地震動峰值加速度除南皮縣為0.05 g、相當于地震基本烈度Ⅵ度外，其余各縣市均為0.10 g、相當于地震基本烈度Ⅶ度。

工程區地下水類型為第四系孔隙潛水，由西向東埋深逐漸變淺，西部地下水埋深大于45 m，東部埋深2.5 m左右。

2 渠道防凍脹設計

渠道地處淺層季節凍土區，冬季基土凍脹對渠道混凝土襯砌有很大的破壞作用。渠道防凍脹設計按《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL23—2006）要求，對于標準凍深大于0.1 m渠段需進行渠道的設計凍深和凍脹量計算，當渠道的設計凍脹量大于0.01 m時采取抗凍脹措施。

2.1 設計分段

（1）氣候分段。根據氣象資料分析，選擇了石家莊、藁城、晉州、辛集、武強、深縣、衡水、冀縣8個氣象站作為代表站，再按緯度坐標將兩相鄰站渠段分為相等3段，相鄰站的渠段為該站氣候控制段，中間段為兩站氣候控制段。不同渠段取不同氣象站的多年最大凍深平均值和多年平均風速，見表1。

表1 各氣象站多年平均凍結指數、氣溫及最大凍深、平均風速

（2）渠道防凍設計分段。根據渠道沿線氣候、地質、地下水位、襯砌形式、渠道走向及渠道挖填情況，將總干渠劃分為若干計算段，逐段進行防凍計算。

2.2 設計方案

防凍脹設計既要保證工程安全，又要盡量減少工程造價，達到技術可行、經濟合理、安全可靠的目的，為此對防凍脹設計考慮3個方案，計算工程量投資，優選最佳方案。其中，方案1：只在渠坡水位變幅區采取防凍措施；方案2：只在渠坡按防凍脹要求采取防凍措施；方案3：全斷面采取防凍措施。

2.3 凍脹量計算步驟

根據SL23—2006進行凍脹量的計算。冬季最易破壞的部位是最低蓄水保溫水位至設計水位處，按3個方案不同情況分別選取渠坡設計水位（陰坡、陽坡，下同）、渠坡底部、渠底中心作為設計凍脹量的計算點。

2.3.1 設計凍深計算

設計凍深計算公式為：

式中：zd為工程地點的設計凍深(m)；zm為歷年最大凍深(m)；?w為地下水影響系數；?d為考慮日照及遮陰程度影響系數，計算公式為：

式中：?i為典型斷面日照及遮陰程度修正系數；α為與氣候區有關的系數。

2.3.2 基礎設計凍深計算

由于混凝土襯砌厚度小于0.5 m，因此基礎設計凍深計算公式為：

式中：zf為基礎設計凍深（m）；δc為基礎板厚度（m）；δw為底板之上冰層的厚度（m）；其余變量含義同上。

2.3.3 凍脹量計算

基礎結構下凍土層產生的凍脹量計算公式為：

式中：hf為基礎結構下凍土層產生的凍脹量（m）；h為天然凍土層產生的凍脹量（m）；其余變量含義同上。計算成果，見表2。

表2 護砌下凍脹量計算成果

由表2可知，無論陰坡、陽坡還是渠底均需采取防凍脹措施。另外根據42 a長系列來水過程分析，有3 a冬季存在斷水情況，采取給渠道臨時充水保溫措施（含完建期）。在渠道檢修期采用臨時分段充水保溫。基于上述分析，渠道邊坡設置保溫措施，渠底不再設置保溫措施，但應加強渠道防凍脹監測，發現問題及時解決。

2.4 防凍脹措施

當渠道設計最大凍脹量超過混凝土襯砌板允許位移值時，需采取防凍脹措施，一般包括保溫和置換2種措施。在地下水位高于渠道設計渠底渠段及河灘地段，采用置換砂礫料措施防凍，并與排水結合考慮，即在防凍部位砂礫層厚度應滿足防凍要求，其它部位以及砂礫層組成按排水要求設計；地下水位較低渠段，采取保溫板措施防凍。

2.4.1 置換措施設計

置換厚度計算公式為：

式中：Hn為置換厚度（m)；Hd為設計凍深（m）；δ0為襯砌板厚度（m）；ε為置換比，根據規范取值，詳見表3。

表3 渠床置換比ε值

經計算，置換厚度為0.3～0.4 m。

2.4.2 保溫措施設計

聚苯乙烯泡沫板具有導熱系數小、吸水率低、有較好的抗壓縮性能等特點，經國內多處水利工程應用，保溫效果良好。因此，本段總干渠采用聚苯乙烯泡沫板作為保溫材料。

保溫板厚度計算公式為：

式中：δx為保溫層厚度（m）；R0為工程保溫基礎設計熱阻值(m2·℃/W)；αω為保溫材料的導熱系數修正系數；δc為基礎材料厚度(m)；λx為保溫材料在自然狀態下的導熱系數[W/（m·℃）]；λc為基礎材料的導熱系數[W/（m·℃）]，根據工程實際情況確定。

選取保溫板自然狀態下導熱系數為0.039 W/（m·℃）、保溫板吸水率為2%，查表得導熱修正系數為1.10，混凝土導熱系數取值為1.50 W/（m·℃），工程保溫基礎設計熱阻值為1.39 m2·℃/W，混凝土板厚度取0.10 m。經計算，得保溫板厚度為0.04～0.06 m。

通過投資比較，借鑒南水北調工程施工經驗，推薦采用保溫板防凍脹措施。東西走向渠道保溫板厚度陰坡為0.06 m，陽坡為0.04 m；其它走向渠道渠坡為0.06 m。

3 結語

石津干渠工程渠道地處淺層季節凍土區，冬季基土凍脹對渠道混凝土襯砌有很大的破壞作用。影響渠道凍脹的因素很多，通常有保溫材料、防滲效果、渠基土壤特性、地下水位情況、排水情況和施工質量等。當渠道設計最大凍脹量超過混凝土襯砌板允許位移值時，需采取防凍措施，一般包括保溫和置換2種措施。在地下水位高于渠道設計渠底渠段及河灘地段，采用置換砂礫料措施防凍，并與排水結合考慮，即在防凍部位砂礫層厚度應滿足防凍要求，經計算置換厚度為0.3～0.4 m，其它部位以及砂礫層組成按排水要求設計；地下水位較低渠段采取保溫板措施防凍，東西走向渠道保溫板厚度陰坡為0.06 m、陽坡為0.04 m，其它走向渠道渠坡保溫板厚度為0.06 m。

TV222；TV672

B

1004-7328（2017）02-0055-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.017

2016—12—20

張瀟（1981—），男，工程師，主要從事水利水電工程設計施工及運行管理工作。