前海灌区45团胜利干渠混凝土渠道抗冻胀设计探讨.pdf

科 研 管理 水利规划与设计 2 0 1 5 年第 1 2 期 DOI：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 - 2 4 6 9 2 0 1 5 1 2 0 2 0 前海灌 区 4 5团胜利干渠混凝 土渠道抗冻胀设计探讨 方海霞 ( 喀什第 三师勘测设计研究院有限责任公 司 ，新疆 喀什 8 4 4 0 0 0 ) 摘要 ：寒 区渠道冻胀破 坏是亟待解决的 问题 ，工程建设 中采 用精 准的抗冻胀设计方案有助于工程效果 的 实现。本 文以新疆前海灌 区4 5团胜利干 渠为例 ，分析 了该灌 区胜利 干渠渠基 土条件 ，计 算 了基 土冻胀量 ，分析 了可行的 抗 冻 胀措 施 ，为 类 似 渠 道 抗 冻 胀 设 计 提 供 借 鉴 。 关键 词 ：渠道 ；抗冻胀设计 ；措施 ；比选分析 中图分类 号 ：T V 6 9 8 2+ 6 文献标识码 ： 文章编 号 ：1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 5 5 0 2 1 工 程 概 况 4 5团胜 利 干渠 ( 0+0 0 0 4+9 3 0 ) 为新 疆 前 海 灌 区续建 配套 与节 水改 造骨 干工 程 ，项 目区最 冷 月 份 1月平均 气 温 为 一5 9 C，判定 该 地 区 为寒 冷 地 区 。经勘察 ，沿线 出露 地层 岩性 均为 第 四系松 散沉 积物 ，地层岩性上部主要为低液限粉土夹低液限粘 土 或 细 ( 粉 ) 砂 透 镜 体 ，下 部 为 细 ( 粉 ) 砂 。 低 液 限粉 土 ：粒 径 小 于 0 0 7 5 m m 的 含 量 为 8 5 2 9 1 3 ，大于 1 0 的标准 ；细 ( 粉) 砂 ：粒径小 于 0 0 7 5 ram 的 含 量 为 9 1 1 0 4 ，大 部 分 大 于 1 0 的标 准。 工程 区标 准冻 深为 0 5 6 m，大 于 0 1 m标准。冻结初期土的平均含水量为 2 0 3 ， 塑限含水量平均值为 1 9 8 ，0 9倍 塑限含水量为 1 7 8 ，符 合冻 结 初期 土 的含 水 量 大 于 0 9倍 的塑 限含水量要求。从上述 3条冻胀条件综合判定 ：渠 道 沿线低液 限粉土 和 细 ( 粉 ) 砂 均 系冻 胀 土 ，渠道 设 计 采用砼 +复合 土工 膜 双 防 的 防渗 结 构形 式 ，此 种 砼板类刚性材料衬砌时应进行防冻设计 。 2渠道抗冻胀设计 2 1 抗冻胀 计 算 结合渠道走 向及计算点不同的地下水位 ，计算 出地下水位与对应的基土冻胀量 、地下水位与对应 的设计 冻深 ，设 计 冻深计 算 公式 为 ： Z = Z ( 1 ) = +( 1一 ) ( 2) ： 考 式中：z 一工程 地点 的设 计冻 深 ，o m； 一参考 日照及遮荫程度 的修 正系数 ； 一地下水影 响系 数 ；Z 一历年最大冻深 ，此处取 0 7 8 m； 一典型 断 面 ( 渠 道 为 E - W、N S走 向 ，底 宽 与 深度 之 比 B H= 4 5 ，坡 比 m=1 7 5 ) 某部位 的 日照及遮荫程度 修正系数 ，取 1 1 5 ； 一系数 ，若渠坡较高或建筑 物上部 有 遮 荫 作 用 ，应 考 虑 额 外 的遮 荫 影 响； z 一邻近气象台的冻前地下水位埋深 ，对于粉土 ， 当 Z 。 2 5 m时，取 2 5 m；JB 一系数 ，因渠床土质 以低液 限粉土为 主，取 0 7 9；Z 一计算 点的地下 水位 深 度 ，根 据 渠 道 沿 线 地 下 水 位 勘 察 资 料 ，4 5 团胜利干渠地下潜水埋深勘察期间实测为 自然底面 以下 2 0 4 5 m，设 计 渠底线 以下 1 2 0 2 5 m。 根据上述公式以及相关 的参数取值可计算得到 渠段 的设 计 冻深 z ，结 果见 表 1 。 依据 渠系工程抗 冻胀设计规范 3 2 2 ，4 、5 级建筑物 ，或没有现场试验观测条件的 ，其天然状 态 的冻 胀量 h可 根据 土质 和冻 结前 地下 水 水位 埋 深 z ，的情况 由图查得。项 目区渠基土为低液 限粉土， 查 图 3 2 2 - 2 ，结果 见表 1 。 2 2衬砌 结构 抗 冻胀 稳定 性计 算 基土冻胀量按下式计算 ： h r=h z z d ( 4 ) 式 中 ： ， 一 基 础结 构 下 冻 土层 产 生 的冻 胀 量 ，m i l l ； z ， 一 基础 结 构下 的设计 冻 深 ，计算 公 式 为 Z =z 一 0 3 5 8 一 1 6 8 ，I T I ； 6 一 基 础 板 厚 度 ， ( 板 厚 0 1 i n ) ； 6 一 底板 之上 冰 层 厚 度 ，因冬 季 不 运 行取 ( 3) 作者简介 ：方海霞( 1 9 7 7年一 ) ，女，高级工程师 。 5 5 2 0 1 5 年第 1 2 期 水利规划与设计 科研 管理 0 ra m；其他 变量含 义 同前 。 根 据上述 计算 公式 ，结 合渠道 走 向及 计算 点 不 同的地下 水位 ，计算 出地下 水位 与对 应 的基 土 冻胀 量 、地 下水 位与 对应 的设计 冻深 ，结 果见 表 2 。 表 1 O+ 0 O 0 4+ 9 3 0渠段设计冻深与地表土冻胀量计算结果 部位 B Z 。 m Z m Z d e ra h c m 上部 1 2 O 1 1 5 一 O 3 6 0 7 9 3 3 4 1 1 O 1 O 9 5 l 6 阴 面 下 部 1 2 O 1 1 5 一 O 3 6 0 7 9 3 1 4 l 0 8 7 0 8 2 5 4 底面 1 0 9 1 1 5 0 7 9 3 3 1 4 1 O 8 7 0 7 4 5 1 上 部 0 8 8 1 1 5 1 7 7 0 7 9 3 3 4 l 1 O 1 O 7 O l 5 阴面 下部 O 8 8 1 1 5 1 7 7 0 7 9 3 1 4 l 0 8 7 0 6 O 4 2 表 2 0+ 0 0 0 4+ 9 3 0渠段 基础 结构 下冻土层冻胀量计 算结果 部位 Z c m Z d e ra h c m 6 8 Z f m h r mm 上 部 O 7 8 O 9 5 1 6 O O 1 O O 9 2 1 5 阴面 下部 0 7 8 0 8 2 5 4 O 0 I O 0 7 8 5 2 底 面 0 7 8 0 7 4 5 l 0 0 1 0 O 7 0 4 9 上 部 0 7 8 0 7 O 1 5 O O 1 O O 6 6 1 4 阴 面 下 部 O 7 8 0 ， 6 O 4 2 O 0 1 O 0 5 7 4 0 根据 以上 计算结 果 可知 ，胜利 支 干渠 渠基 土 冻 胀级 别 为 I 级 。依 据 规 范 ，当渠 基 土 冻胀 级别 为 级及 以上时 ，可采用置换措施 防止渠道衬砌板 冻胀破坏。但 由于受冬季灌溉水及 水库渗漏 的影 响 ，地下水位仍有上升可能。另外 ，由于渠道填筑 土料均 为低液 限粉土 ，排水性 较 差 ，冬季 侧 向补给 水 位 消散较 慢 ，有可 能造成 渠道 衬砌 冻 胀破 坏 ，故 仍 要对 其进 行 防冻胀处 理 。 3 渠道抗冻胀措施 比选分析 3 1抗冻 胀措 施设计 根据 上述计 算结 果选 择可行 的抗 冻胀 措施 ，主 要有渠基换填措施和保温措施。 ( 1 ) 方案 1渠 基换 填 措 施 ：换 填 材料 采 用 风 积 沙 。依据 渠系工程抗冻胀设计规范 进行抗冻胀 设计 ，要求粒径小于 0 0 7 5 mm 的颗粒含量不得大 于总重量的 1 0 。本 区标准冻深为 5 5 0 e m，最大 冻深 为 7 8 0 e m。根 据 上 文 计 算 结 果 ，渠 床 置 换 比 选 择 ：坡 面 上 部 选 为 6 0 ，下 部 和 渠 底 为 8 0 。 设计 防渗渠 换填 厚度 ：渠道 阴面的上 部 和下 部 换填 厚度分别 为 0 5 0与 0 5 5 m，底面 为 0 5 0 m，渠 道 阳面上部与下部分别为 0 3 5和 0 4 5 m。 ( 2 ) 方 案 2基 土保 温 法 ：当采 用保 温 措 施 抗 冻 胀时 ，其材料性能应符合相关规范要求 ，综合考虑 材料 性 能 、造 价 等 因素 ，工 程选用 型 聚苯 乙烯 泡 S6 沫塑料板 ，其性能指标如下 ：表观密度 3 0 k g m 、 压缩 强 度 ( 相 对 变 形 1 0 )1 5 0 k P a 、导 热 系 数 0 0 3 9 W ( 1T I K) 、尺寸稳定性 2 、吸水率 ( 体 积 ) 2 4 - 5 3 。保 温 材 料 厚 度 为 ：阴 面 0 1 0 m，渠 底 0 0 9 m，阳面 0 0 7 m。 3 2方案 比选分 析 方案 1具有较好的整体抗冻效果 ，并且更换渠 基土 之后 能够 长期保 证 渠道混 凝 土不 受基 础 土 引起 的冻胀破坏。但为保障工程施工效果 ，填换渠道基 础土 厚度 往往 较大 ，施 工工 程量 较 多 ；并 且 施 工后 需要对换填土进行夯实 ，施工难度相应增加 。方案 2的渠道 混 凝土 保温 效 果 较好 ，施 工不 需 大 断 面 开 挖 ，在渠 基上 进行 铺设 聚苯 乙烯 泡 沫 塑料 板 ，之 后 的混 凝 土衬砌 只需 在 苯 板 上 进 行 即可 ，施 工 简便 ； 但 聚苯 乙烯 泡 沫 塑料 板 在 运 输 及 施 工 中容 易破 损 ， 不易保 存 与施工 。从 经济 角度分 析 ，方 案 1和方 案 2的单 k m投资费用分别为 3 2 1 9万元和 4 9 7 7万 元 ，方案 1单 k m投 资费用能够节省 1 7 5 8万元。 综合工程施工效果及参考灌区多年来渠道防渗工程 经验 ，且 由于 苯 板 极 易 损 坏 ，工 程 质 量 保 证 率 低 ， 最终确定工程抗冻胀设计方案采用方案 1 ( 风积沙 换 填层 ) 。 4渠道 结构 设计 4 1封 顶板 设计 根 据 渠道 防渗 工程技 术规 范( 下转第 7 5页 ) 科研 管理 水利规划与设计 2 0 1 5年第 1 2 期 3 0 y 2 0 1 0 0 0 1 O 2 0 。， 3 0 A 图 3校核水位工况压力分布 3 结 语 随着碾 压 混 凝 土 技 术 在 水 利 工 程 中 的 广 泛 应 用 ，台阶式溢洪道水力特性分析越来越重要。以水 利枢纽 台阶式溢洪道为研究对象 ，分析 了溢洪道的 泄洪 功能 ，指 出台 阶 式溢 洪 道 研 究 中存 在 的 不 足 。 对溢 洪道 水流 流态 、水 面线 、压 力 分 布进 行 了数 值 模拟 ，得 出：滑行流态下 ，前几个台阶处下降速度 较快 ，随着水流掺气后 ，水面线下降的幅度减小 ； 溢洪 道 底 部 压 力 最 大 。但 是 由于 计 算 模 型 做 了 简 化 ，计 算结 果与 实 际情况 还有 一定 差 距 ，有必 要 建 立高精度湍流模型 ，以提升计算精度。 参考 文献 1 周斌多流道式 弯道在黄 山洞水库溢洪道加 固中的应用 J 水 利规划与设计 ， 2 0 1 4 ( 0 5 ) ： 8 1 - 8 3+9 2 2 崔华存 小型病险水库 溢洪道设计 中的问题及解决方案 J 水 利规划 与设计 ， 2 0 1 4 ( 0 3 ) ： 6 2 6 4 3 任双立 ，吕勋博F l u e n t 软件在溢洪道泄流 中的应用 J 电网 与清洁能源 ， 2 0 1 4( 0 7 ) ： 7 7 8 O+ 8 5 4 李刚 ，李亚飞孤石滩水库除险加 固工程溢洪 道泄流能 力研究 J 河南水利与南水北调 ， 2 0 1 3 ( 2 4 ) ： 3 6 - 3 8 5林祯兆溢洪道 的水力 特性研 究 J 水利 规划 与设计 ， 2 0 1 0 ( 0 2 ) ： 4 8 - 4 9+5 4 6李西平鸭河 口水库溢洪道泄 流能力研究 J 人民长江 ， 2 0 1 0 ( 0 9 ) ： 9 2 9 4 7 张艳丽海龙川水库溢洪道加 固设计与计算分析 J 水 利技术 监督 ， 2 0 1 5 ( 叫)： 4 9 5 1 8 贺芳丁 ， 冯毅 ，张涛尚庄水库 除险加 固工 程溢洪 道设 计方案 分析 J 水 利技术监督 ， 2 0 1 1 ( 0 5 ) ： 4 5 - 4 7 ( 上接第 5 6页) 规 定 ，防渗 渠 道 在边 坡 防渗 结 构 顶 部 应 设 置 封 顶 板 ，其 宽 度 为 1 53 0 e m。 当 防 渗结构 下 有砂 砾 石 置 换层 时 ，封 顶板 宽 度 应 大 于 防渗 结 构 与 置 换 层 的 水 平 向 厚 度 1 0 c m。本 设 计 中 封 顶 板 宽 度 取 4 0 e m， 封 顶 板 厚 度 为 6 e m， 封 顶 板 采 用 C1 5砼 现 浇 ，封 顶 板 每 隔 3 m 设 1道 伸 缩 缝 。 4 2渠 道 混凝 土设 计 渠道设计为 0+ 0 0 0 1 6+7 5 2段采用弧形坡脚 梯 形 断面 ，1 6+ 7 5 2 2 0+9 1 0段 采 用 弧 形 底 梯 形 断面 ，防 渗形式 均 为现 浇混 凝土 +复合 土 工膜 。渠 道 全 断面 采用 C 2 5 2级 配 砼 现 浇 ，厚 度 为 l O O m m， 抗冻等级为 F I O 0，抗渗等级为 W6 。混凝土板下铺 设复 合 土 工 膜 ( 1布 1膜 ，布 重 2 0 0 g m ，膜 厚 0 3 m m) ，膜下 换 填 3 0 5 5 c m 厚 的砂 砾 石 。横 向伸 缩缝每隔 3 m设 1 条 ，缝宽 2 O c m( 等宽 ) 填充形式 ： 上部 均 采 用 2 e m 聚 氨 酯 填缝 ，下 部 采 用 6 e m 高 压 闭孔板 填 缝 。在渠 底两 坡脚 处及 渠 道边 坡 各设 1道 纵向伸缩缝 ，上部均采用 2 e m聚氨酯填缝 ，下部采 用 6 e m 高压 闭孔 板填 缝 。沿 渠 道 纵 向每 隔 l O O m 设 1道 厚 3 0 e m 的 现 浇 隔 墙 ， 隔 墙 混 凝 土 强 度 等 级 C 2 5 ，抗冻等级 F I O 0，抗渗等级为 W6 。 5 结 语 寒 冷 地 区渠 道 基 础 土壤 受 地 区 自然 气 温 的 影 响 ，所 处 的 状 态 多 为 冻 和 融 ，如 渠 道 设 计 中 忽 略或未 进 行有 效 抗 冻胀 设 计 ，一 般 都 会遭 受 不 同程 度 冻 胀 破 坏 ，渠 道 混 凝 土 衬 砌 结 构 被 严 重 破坏 。因此 ，为保 障灌 区水 利 工 程 的 长 期效 益 发挥 ，灌 区新 建 渠 道设 计 必 须充 分 考 虑 渠道 冻 胀 破 坏 因 素 。 参考 文献 1 李超明沙井子灌区渠道衬砌混凝土防冻胀设计探讨 J 水利 技术监督 ， 2 0 0 9 ( 0 2 )： 4 6 4 7+5 O 2王利军混凝 土渠道抗 冻胀设计及 防冻害措施 在西北冻土地 区 节水工程中的应用 J 水利规划与设计 ， 2 0 0 9 ( 0 6 ) ： 6 4 6 6 3 张建 ，粱小璇新疆北疆某渠道设计在实际 中的应用 J 工程 实践 ， 2 0 1 3 ( 0 3 )： 6 2 6 4 4刘志斌 ，刘建军 渠 道工程 中保 温板 防冻胀设 计 J 人 民长 江 ， 2 0 1 2 ( 4 3) ： 2 9 3 1 5 张彦武聚苯 乙烯泡沫板在渠道防冻胀中的运用 J 甘肃水 利 水 电技 术 2 0 0 9 ( 4 5 )： 7 9 7 5