渠道襯砌防凍脹設計

曹永帥

（開封市汴龍勘察設計中心）

1 工程背景

河南省東部黃淮平原的M 灌區占地面積4 344.20 km2，規劃灌溉面積21.73萬hm2，其中充分灌溉面積13.60萬hm2，非充分灌溉面積8.13萬hm2。X干渠自二壩寨節制閘上游左岸閘孔引水，東北向穿過四明河，跨越蘭菏公路至黃口止，樁號0+000～2+450，全長24.50 km，灌溉面積0.68 萬hm2，是向蘭考縣北部農田輸水的主要分干渠，設計流量三村兩孔節制閘以上9.50 m3/s，三村兩孔節制閘以下5.70～3 m3/s。

2 渠道襯砌方案

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

表1 渠道襯砌結構型式比較表

通過綜合比較，灌區干渠渠道最終推薦采用方案一，即全斷面現澆混凝土板襯砌的方案。

3 渠道襯砌防凍脹設計

由于渠道建筑物基礎主要為粉土、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，因此需要對渠道建筑物進行抗凍脹設計。首先由設計凍深Zd計算出地基土設計凍深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］求出基礎置換比ε，從而確定置換厚度。

3.1 基本參數的確定

3.1.1 實測歷年最大凍深Zm

根據《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL211-2006）和《工程地質手冊》（第三版）判斷，本工程區歷年最大凍深為0.38 m，最小凍深0.18 m，計算設計凍深采用Zm=0.38 m和0.18 m。

3.1.2 設計凍深Zd

依照《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL211-2006）中所給出的設計公式，本渠道干渠抗凍脹設計凍深應當按照下式進行量化計算：

式中：Zd—本灌區干渠渠道抗凍脹設計凍深值（m）；Zm—歷年最大凍深實測值（m）；Ψd—日照及遮陰程度影響系數，Ψi—典型斷面某部位的日照及遮蔭修正系數，查SL211-2006得Ψi=1.15；α—系數，由SL211-2006 表B.1.1-1 查得；ΨW—地下水影響抗凍脹設計的修正系數；β—調整系數，根據SL211-2006的規定，取β為0.63；ZWO—灌區所在地（如有）或鄰近氣象臺（站）（如無）凍脹發生之前地下水位實際深度值，考慮到本灌區粉土質砂的地質條件，故ZWO取2.50 m；ZWi—計算點凍脹發生之前地下水位的實際深度（m），考慮冬灌時地下水上升的客觀情況，應當根據渠底高程進行地下水位實際深度的計算。

灌區渠道設計凍深的計算結果詳見表2。

表2 設計凍深Zd計算表

3.1.3 地基土設計凍深

式中：Zf—地基土設計凍深（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X干渠實際情況，渠道一般是在12月20日開始停水，停水時間一般為30 d～45 d，因此渠道按冬季不過水設計。基礎設計凍深Zf計算如表3。

表3 基礎設計凍深Zf計算表

3.1.4 地表凍脹量h

粉土、粘土、細粒土質砂地表凍脹量按下式計算：

式中：h—本灌區渠道地表實際凍脹量（cm）；Zd—灌區渠道設計凍深值（cm），如果進行地基土凍脹量實際值hf的計算，則應采用灌區渠道地基土設計凍深Zf代替渠道設計凍深值；Zw—凍脹發生之前（即在灌區渠道凍結初期）灌區渠道天然地表或設計地面高程起所計算得地下水位實際埋深（cm），為計算地基土凍脹量hf，應當自底板底面高程起進行渠道地下水位實際埋深的計算。

3.1.5 地基土凍脹量

灌區地基基礎以下土（即地基土）的凍脹量主要采用《渠系工程抗凍脹設計規范》所提供的公式和算法進行確定，具體如下：

式中參數含義同前。根據本灌區渠道工程實際情況，所計算得基礎下土凍脹量的結果如表4。

表4 基礎下土凍脹量hf計算結果表

3.2 抗凍脹工程措施

本方案采用非凍脹性土質置換渠床凍脹性土的抗凍脹措施，換填材料采用砂礫石，《渠系工程抗凍脹設計規范》SL211-2006具體規定，灌區渠道粗粒土內粒徑在0.75×10-1mm及以下的土粒重量應當在土樣總重量中的占比不超過10%。換填層厚度采用換填比法計算：

式中：δ0—襯砌板厚度（cm）；ε——置換比（%）

根據相關公式及本灌區渠道實際情況，本工程換填厚度計算結果見表5。

表5 建筑物基礎土置換深度計算表

根據地質勘探試驗及相關計算結果，本灌區渠道起訖樁號為0+236～2+450段的凍脹等級為Ⅱ級，發生凍脹的可能性很大，故必須進行凍脹土的換填。經計算并結合類似工程實施經驗，應在混凝土板下增設厚度10 cm的砂礫石防滲抗凍脹墊層。

4 結論

結合相關規范及灌區實際，進行了灌區襯砌渠道抗凍脹設計計算的初步論述，并提出灌區適用的抗凍脹措施。文章分析結果表明，渠道襯砌工程抗凍脹設計必須充分考慮項目區自然條件、工程水文地質條件，保證抗凍脹設計中各項參數取值的合理性。文章所提出的抗凍脹措施在類似灌區應用廣泛，能確保渠道襯砌體的穩定安全性和經濟實用性。