北屯灌区混凝土板衬砌渠道抗冻技术措施.pdf
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1、低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 I 期( 总第 1 4 9期) 北 屯灌 区混凝土板衬砌 渠道抗冻技术措施 郭永昌, 梁菊蓉 ( 新疆生产 建设兵 团农十师勘测设计院 。 新疆北屯8 3 6 0 0 0) 【 摘要】 通过对北屯灌区多种型式的混凝t板衬砌渠道工程冻胀破坏的观测与总结, 总结了 目 前常用的 衬砌渠道抗冻技术措施 ; 提出了在北 电灌 区可采用弧底梯形渠衬砌 、 弧形坡脚梯 形渠衬砌 和混 凝土 U型槽 衬砌等 结构形式; 通过对改造后的渠道运行情况的观测, 发现改造渠段的冻胀现象明显下降, 冬季没有明显的冻胀破坏, 防渗抗 冻效果更加 明显 。 【 关键词】 混凝土板;
2、防渗工程; 渠道冻胀机理; 防冻胀 【 中图分类号】 T U 5 2 8 7 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 1 一 O O 6 O 一 0 3 O 引言 在我 国北方寒冷地区 , 由于渠 基土体发生冻胀 , 致 使混凝 土板衬砌渠道冻胀 破坏严重 , 主要 表现 为混凝 土板的裂缝 、 翘起 、 甚至滑塌等现象, 大大降低了防渗 防冻性能 。这样 不仅影响 了渠道 的正常使用 , 浪 费 了 水资源 , 而 且 增 加 了运 行 管 理 难 度 和 : 程 修 复 费 用。因此, 要使衬砌渠道长期发挥防渗效益和使灌 区水
3、工建 筑物 正常运 转 , 首先 要解决 冻胀 破甥= 问题。 各灌区应结合本灌区中不同渠道、 渠段的具体冻胀情 况, 冻胀破坏的主要因素以及灌区的经济条件, 选择合 适的防冻胀措施 。通过对北 E 灌区已建的渠道 防渗工 程进行现场勘查 , 发现 部分渠段 的混凝 土板 出现不 同 程度 的裂缝 、 鼓胀 、 坍塌 等破坏 ; 文中通过 对混凝 土板 衬砌渠道冻胀机理进 行分析研究 , 并结合北 屯灌 区的 工程经验和部分试 验研究成果 , 提出 了相应 的混 凝土 板衬砌渠道防冻胀 的一些技术措施 。 1 北 屯灌 区概况 北屯灌区位 于新疆 阿勒泰地 区福海县境 内, 地处 额尔齐斯 河
4、与乌伦古河之问的戈壁平 原上 。地理坐标 北纬 4 7 。 O 5 4 7 。 2 7 , 东经 8 7 。 3 1 8 8 。 0 3 。灌 区东西 长 4 2 k in, 南北 最大 宽度 3 0 k m, 土地 总面积 l 】 5 , 6 5万 亩 , 其 中可垦宜农 林地 8 0 6 ( j 万 亩 , 灌 区总人 口 3 。 6 7 万人。】 9 9 9年被水利部列 为大型灌 区, 是 中国最西北 的大型灌 区。灌 区地处 欧亚 大陆腹地 , 属于典 型大陆 性 气 候 , 光 照 充 足 ; 无 霜 期 短 , 多 年 平 均 降 水 量 为 9 8 5 m m, 多年平 均 蒸发
5、 量 2 0 1 8 6 m m; 最 大 冻 土深 度 2 m, 自然条件恶劣 , 灾害天气 多 , 主要有大 风 、 干热风 、 低 温 、 冻害 、 冰雹等。 灌 区内的水 利工 程大 多足 上世 纪六七 十 年代 建 成投人运行的 , 工程老化严重 、 冻胀 、 年久失修 等, : 【 程 引输水能力明显 下降 , 工程效益严重衰减 , 灌 区内相 当 多的灌溉面积因引水 无保 障得 不到灌溉 , 已严重 制药 了经济的发展。近年来灌区续建配套与节水改造工程 项 目陆续开 工建没。目前 , 灌区拥有引水渠首 3座 , 其 合计 引 水 能 力 可 达 9 7 m s 。 灌 区 内 现
6、 有 支 渠 2 3 5 2 k m, 已 衬 砌 8 6 6 k m; 斗 渠 7 0 7 4 k in,已 衬 砌 7 2 8 k mf 引 。 2 混凝土板衬砌渠道抗冻技术措施 在防渗 渠道设计过程 中, 应进 行防冻 设计 。通过 计算或必要 的试验 确定 渠道 各部 位设 计 冻深 和冻胀 量, 合理选择满足冻胀要求的渠道断面形式、 衬砌结 构 、 材料和技术措施。 根据渠道冻胀的机理分析可知, 低温、 地下水位和 渠基 土质是影响渠道冻胀 的三要 素。因此 , 可以从这 三个 主要 因素着手 , 寻求 减少冻胀的途径 , 来减少混凝 衬砌板 冻害 问题 。 目前实 际工 程 中常用
7、 的措施 包 括 : 回避冻胀法; 削减冻胀法; 优化结构法等等。 2 。 1 回避冻胀 防止衬砌渠道出现冻胀的理想条件是 】 : Z Z 0 +H d ( 1 ) +2 ( 2 ) 式 中, z为地下水位 至渠底 的埋深 , m; z 为土壤 毛管水上升的高度 , m; H d 为设计冻深 , m; 1 V为冻结初 期土的含水 量 , ; 为土的塑限含水量 , 。 为满足上述条件 , 在灌区规划中, 衬砌渠系布置应 尽可能避开高地下水位地段, 选择有利地段 , 即透水性 较强的不易 产生 冻胀 的地 段或 地下水 位 埋藏 较深 的 地段 , 将渠底冻结层控制在地下毛管水补给高度以上; 尽量
8、使渠线走在地形较 高的脊梁地 带 , 避 免渠道两侧 有地 面水人 渠。 2 2削减冻胀 削减冻胀量的办法在工程较多 , 具体措施有: 压实渠基土; 防止渠道水渗漏 ; 防止渠堤上的地 面径流入渗; 设置深浅两层封闭层, 切断冻结层的补 水源 ; 沿渠道外侧布置林带或植树; 控制渠基土含 郭永 昌等 : 北屯灌区混凝 土板衬砌渠道抗冻技术措施 水率。 2 3 优化结构形式 采取措施减小地基 土冻 胀性 的 同时 , 根据渠 道冻 胀和变形特点 , 以及衬 砌材料 的性能采 用合理 的渠道 断面和衬砌形式 , 以适应 或抵抗 一定的允许 冻胀 和冻 融变形 。冻 胀类 别 的 中 小 型 渠 道
9、 所 采 取 的 结 构 措 施 为 : ( 1 ) 对梯形混凝 土衬 砌渠道 , 可采用楔形板 、 中 部加厚板结构 。 ( 2 ) 采用 混凝土 U型 槽衬砌 , 但 圆弧直 径应小 于2 O m, 圆弧上部直线段采用小于 I : 0 2的斜坡。 ( 3 ) 采用弧形断面或弧形渠底、 梯形边坡断面。 相应要求沿渠轴线方向和沿渠坡方向每隔 3 4 m必 须设冻胀变形缝, 缝内填充在当地最低气温下仍具柔 性的止水材料 。 3 北屯灌区抗冻技术措施 综上所述, 在设 汁渠道时采用合理的村砌形式, 可 有效地削减 、 适应 或 回避冻 胀。根据 冻土工 程 国家重 点实验室的研究结果 , 弧底梯形
10、渠衬砌 、 弧形坡脚梯形 渠衬砌和小型 U形 渠衬 砌是 比较 好的抗 冻胀 衬砌形 式。因此, 在北屯灌区续建配套与节水改造工程中, 可 采用弧底梯形 渠衬 砌 、 弧形坡脚 梯形渠衬砌 和混 凝土 u型槽衬砌形式。 3 1 干渠 、 支渠弧底梯形渠衬砌 形式设计 结合北屯灌区渠道现状、 当地建筑材料 以及经济 状况 , 优先选择渠道断面为弧底 梯形 断面 , 衬砌材料用 混凝 土板加铺塑料薄膜 的方法 进行 防渗改造 。另外 , 我们在设计时为了考虑衬砌混凝土板的整体性, 改变 混混凝土板的形状 , 把原来的四边形预制混凝土板改 变为六边形预制混凝土板; 同时, 把原来的梯形断面为 弧底
11、梯形断 面。这样就使 得渠道 断 面、 预 制混凝 土板 错缝 更加利学合理 , 避免 四边形混 凝土板 衬砌 中的水 平通缝形成的薄弱环节, 提高混凝土板衬砌的整体性。 弧底梯形渠衬砌形式设 计如图 l 所示 。 图1 弧底梯形渠衬砌形式设计图 弧底梯形混凝土衬砌渠道是将渠道底板做成弧 形, 与梯形渠道相比, 它的结构计算简图是一个两端弹 性支座的无铰( 反) 拱。没有坡脚处突变的影响, 衬砌 板对基土冻胀的约束有所改善, 冻胀变形大小和方向 是连续变化的, 冻胀量分布较均匀 渠底 中部的冻胀 6l 力和 冻胀不均匀系数较l火 , 但由于渠底呈反拱 , 当衬砌 受到渠底基: L 法向冻胀力
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