聚苯乙烯泡沫板在龙凤山灌区中的应用研究

赵 洋,徐淑琴,刘长荣,3

(1.东北农业大学,哈尔滨 150080;2.黑龙江省水利工程建设质量与安全监督中心站,哈尔滨 150080; 3.黑龙江省水利科学研究院,哈尔滨 150080)

1 工程、气象及水文地质概况

龙凤山灌区位于香水河水库泄洪闸工程区,在黑龙江省五常县小山子乡境内。工程包括交叉工程的主体结构及设备安装全部建设内容。工程量为:土方43 280 m3;石方7 727 m3,混凝土1 845.2 m3,钢闸门15.07 t。本项目属于寒温带大陆性季风气候区,夏季短而温热多雨,夏季多风沙、少雨,易发生春旱;夏冬日照长,气温高,暴雨频繁且集中,常发生洪涝;秋季凉爽而清朗。多年平均气温 3.3℃,无霜期140d左右,土壤最大冻土深 1.8～2.0 m;多年平均降水量547～655 m m,多年平均蒸发量为967.2 m m,区内盛行西南风,最大风速可达20 m/s,全年平均风速4 m/s。香水河水库泄洪闸位于忙牛河支流的曼滩区,滩面平坦开阔,高程一般为 202～205m,相对最大高差为3.0 m,微倾向河床,漫滩表面均为耕地,区域分布地下主要为第四系松散层孔隙压水,含水层岩性为级配不良粗砂、级配不良细砾,其顶板为相对微弱透水的黏性,含水层顶板埋深为 5.0～7.0m。勘探期承压水头高度3.5～6.4m,地下水位为200.96～204.18 m;地下水年变幅一般为2.00 m。含水层属强透水,根据抽水试验的成果可知,其渗透系数K=53.29 m/d,影响半径R= 377.42 m。

2 应用E P S抗冻害技术指标

本地区相当多的水工建筑物都不同程度的遭受到冻胀破坏,严重影响了水工建筑物正常运行和效益的发挥。以前防止冻害的做法是将基础埋置于最大冻深以下,但是,约 2/3的工程量埋在地下很不经济。因此本工程中采用聚苯乙烯泡沫塑料保温板(E P S)应用在工程中,为水工建筑物的冻害防治开辟了新的途径,建筑物采用 E P S保温板后,大大地减轻及消除了土体冻胀对建筑物的影响,使基础埋深大大减少,节省了工程量和资金。

采用保温措施防治水工建筑物冻胀破坏,选择的保温材料需要具有一定强度,而且导热系数要低、吸水率小、隔热性能好、同时要求造价低、材料易得、具有一定的耐久性、稳定性。聚苯乙烯泡沫塑料板是一种高能的保温材料。其导热系数在0.146～0.039 W/(m·K),在不同压缩应力作用下板的变形随板的密度而变化。一般中小型渠系工程的上部荷载在100 k P a以下时,密度为30k g/m3的苯板其压缩变形量＜2%。E P S保温材料设计时,除了考虑在荷载作用下可能发生的变形外,还要充分考虑其吸水率大小和弹性阶段强度指标。

聚苯乙烯泡沫(E P S)保温板是由聚苯乙烯泡沫塑料颗粒发泡后在模具中加热压缩成型或通过挤压工艺成型的板状材料。聚苯乙烯泡沫(E P S)具有隔热性好、自重轻、自立性强、耐久性好、吸水性小及压缩性大等优良性能。工程中我们选用了密度为30 k g/m3的保温板,体积吸水率≤2%,导热系数为 0.039,其压缩变形量＜2%,体积仅为普通填料(土)的 1/50～1/100,是具有一定隔水性和塑性的保温材料,能够提高其保温效能,满足工程构造物的抗冻(C20F200)要求。

在本工程中我们将 E P S保温板主要应用在挡土墙墙体及泄洪闸底板处。密度为 30 k g/m3的保温板 1d内蠕变0.09%～0.15%,130 d内蠕变 0.29%～0.53%,与总蠕变比在 28～31,满足设计要求及可压缩性要求,表现为很好弹性状态,能够承受混凝土压力强度要求。

工程施工设计要求 4月末前完成泄洪闸基础混凝土浇筑,5月 15日前完成泄洪闸闸室段边墙工程在此期间工程底板下刚好无冻结层,满足保温板施工要求。

工程中我们在做保温板基础铺设的底板和墙体铺设时,底板按要求大于基础,以免基侧负温对建筑物基础底部的侵袭,从而造成地基土的冻胀。,采用双向包围范围铺设如图 1。一般单向保温范围为水平保温段铺设长度为基础设计冻深的2倍减去基础板厚度。即:Lb=2Hd-δ。双向保温范围为在单向保温层范围条件下增加竖向封闭保温见图 1。竖向保温段埋设深度为基础设计冻深减去基础板厚度。即:Hb=Hd-δ。

挡土墙构造物铺设时按要求也进行了双向保温。单向保温时按墙高方向保温板在墙后背侧铺设。保温板的高度H等于当地最大冻深hmax=2.0 m与外露墙体高度h1减去保护土层20 c m之和。即H=(h1-20)+hmax。为消除墙后保温土体不受侧向不保温土体的影响。在垂直墙体方向,即单向保温土体两侧要设隔热层。其高度与墙背保温板高度 H相同,长度L2=4 m。挡土墙保温范围见图 2。

挡土墙双向保温采用双向铺设保温层的方法是在单向铺设保温层范围的条件下,增加在墙顶部地表下20 c m,水平铺设聚苯乙烯泡沫塑料板,其铺设宽度等于L2=4 m。

图1 水平保护段及竖向封闭型式图

通过实际工程中的应用采用保温措施处理的地基能确保地基温度场的稳定,减小地基土体的冻胀变形,维护了地基上构造物的整体稳定。保温板的热学性能对土体温度场的稳定起着重要作用,减小冻结层厚度,抑制基土水分迁移量的变化。通过工程应用说明保温板的隔水性能对其抵抗基土冻胀变形起着关键作用。确保基土不发生冻结和冻胀,并减少地表水和大气降水的渗入,冬季土体冻结从上部开始,防止下部未冻土层中的水分将向上部的冻结锋面迁移,形成冻结面附近含土冰层,产生极强的冻胀可能。

图2 保温范围

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