聚苯乙烯泡沫板在北安市宏伟水库泄洪洞中的应用

2012-11-15吕仁国

黑龙江水利科技 2012年10期

吕仁国，谢宇

(1.黑河市爱辉区水务局，黑龙江黑河164300;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

0 前言

在北方寒冷地区，冬季由于土层中的水分结冰后体积增大，冬季有的水工建筑物基础底面会产生向上的冻胀力，使基础抬起产生不均匀变形，甚至使基础断裂破坏或造成基础倾斜、失稳，严重地影响了水工建筑物的正常运行。水工建筑物冻胀处理大多以换填砂砾石为主，由于换填砂砾石这种方法极易产生渗漏通道，造成渗透破坏，在作为保温防冻的材料上有被聚苯乙烯泡沫板取代的趋势。

1 抗冰冻措施设计

北安市宏伟水库泄洪洞的结构形式为钢筋混凝土结构，为防止冻胀破坏，基础及墙后抗冰冻措施设计如下，见图1。

图1 宏伟水库泄洪洞基础保温设计图

1.1 泄洪洞基础设计冻深计算

泄洪洞基础设计冻深按照《水工建筑物抗冰冻》设计规范(SL211—2006)如下公式计算:

式中:Zd为设计冻深，m;ψd为日照及遮荫程度影响系数;ψw为地下水修正系数;Zm为实测历年最大冻深，m;Zm=2.50 m;ψi为典型断面某部位的日照及遮荫程度影响修正系数;α、β为系数，可按表1、2查得;Zwo为邻近气象台的冻前地下水位深度，m;Zwi为计算点的冻前地下水位深度，m;Zf为地基土设计冻深，m;R为底板热阻，m2·℃/W;R0为设计热阻，查表9.4.2-1内插，取R0=3.17(m2·℃/W);δw为冻前底板上的水深;δc底板(或墙)的厚度;λc为混凝土的热导率，取λc=1.74［W/(m·℃)］。

表1 泄洪洞基础设计冻深计算表

1.2 墙后换填厚度计算

1.2.1 地基土设计冻深计算

选取消力池段作为典型计算断面，取距槽底上表面0.5 m处为计算点，按公式得计算点设计冻深Zd=2.58 m;考虑底板的热阻作用后计算点(取距槽底上表面0.5 m处的墙后填土位置为计算点)自墙背算起的冻深，即地基土设计冻Zf=1.46 m。

1.2.2 冻胀量的计算

低液限黏土的冻胀量按下式计算:

式中:Zf为地基土设计冻深，cm;hf为地基土冻胀量，cm;Zw为冻前(冻结初期)天然地表或设计地面高程算起的地下水位深度，cm。

经计算:计算点地基土冻胀量hf=4.75 cm。

1.2.3 置换厚度的计算

式中:Zf为地基土设计冻深，m;Ze为墙的置换厚度，m;ε为置换比，可按表9.4.4-1查取，取0.74;

经计算:计算点墙的置换厚度Ze=1.1 m。

1.3 聚苯乙烯泡沫板厚度计算

按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL211—2006)，该工程基础下采用聚苯乙烯保温板(EPS)，厚度按下式计算确定:

式中:δx、δc为保温板和底板的厚度，m)，底板的厚度δc=0.5m;R0为设计热阻，查表9.4.2-1内插，取R0=3.17(m2·℃ /W);λx、λc为保温板和底板的热导率取λx=0.041，λc=1.74［W/(m·℃)］;Ψd为日照及遮阴程度影响系数;按照附录 B中的式(B.1.1-2)计算确定，取Ψd=1.05;K为安全系数，取1.15。

经计算:保温板厚度 δx=0.144m，取 δx=0.15m。

通过计算可知，进口U型槽冬季正常蓄水位时水深为1.86 m，起到一定的保温作用，不需做抗冰冻处理;闸室基础、洞身基础考虑其整体性好，基础与出口U型槽基础均做一层5 cm厚混凝土垫层、15 cm厚保温板及一层5 cm厚混凝土垫层共三层处理，进出口U型槽墙后、洞身侧壁考虑冻胀影响，做11 cm厚保温板处理，采取此措施后，放水洞基础及挡土墙能抵抗冰冻作用。

2 聚苯乙烯泡沫板性能特点

2.1 抗冻性

苯板全名为聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS)，是以聚苯乙烯树脂为基料，加入发泡剂等辅助材料，经加热发泡而成的一种优良隔热保温材料。苯板导热系数低，一般＜0.04 W/(m·℃)，具有优良的隔热性能，在同样保温条件下，苯板能确保最小的保温而满足建筑物的保温隔热需要，同时保温性能均衡是一种良好的保温材料。近年来苯板开始逐步运用于水工建筑物中。

2.2 技术性

聚苯乙烯保温板(EPS)具有密度小、伸缩强度大、表面吸水率低、防渗透性能好的特点，且具有环保、施工简便、防渗防漏效果好。作为泄洪洞身基础及侧壁防冻胀技术指标要求见表2:

表2 保温板技术指标

2.3 经济合理性

宏伟水库泄洪洞抗冻采用两方案比较:方案1:泄洪洞基础及侧壁均用砂砾石换填至冻深，泄洪洞洞身换填厚度根据冻结深沿涵洞纵向的分布特点，在距洞口2 m范围内按当地冻深换基，即基础厚加换填厚等于冻深zd，而在洞身的其余部分，换填厚度加基础厚采用0.7 zd，土方量为524 m3，换填砂砾石总量为:264 m3，投资为5.2万元。方案2:用聚苯乙烯泡沫板代替换填砂砾石，工程投资为:0.8万元。两方案比较，方案2不但投资节省4.4万元，而且缩短了工期。

2.4 施工简便

泄洪洞身基础施工时，首先在基础下铺5 cm水泥砂浆找平，再在上面平铺聚苯乙烯泡沫板后，再在聚苯乙烯泡沫板上铺5 cm水泥砂浆作为垫层，防止钢筋将聚苯乙烯泡沫板插漏。最后进行混凝土的浇筑;泄洪洞侧壁施工时，首先在混凝土及聚苯乙烯泡沫板表面用砂浆并掺加一定比例的胶涂满刷匀，然后将聚苯乙烯泡沫板贴于混凝土表面并充分压实，用钢钉固定后回填。