苯板保温在沈阳浑蒲灌区的应用

2015-12-16周明

水利规划与设计 2015年2期

周明

(沈阳市水利规划院，辽宁沈阳 110015)

引言

在沈阳灌区节水改造工程中，混凝土板防渗衬砌改善了渠道在输配水过程中的跑、冒、滴、漏问题，大大提高灌溉水的利用率。但是，由于沈阳冬季寒冷，渠床土基存在冻融、冻胀等问题，使不少混凝土板衬砌遭到不同程度的破坏，直接影响了渠道正常使用寿命。对渠道而言，减免渠基土冻胀成为沈阳灌区节水改造工程中亟待解决的问题。目前，减免土基冻胀常用方法有换填土法和保温法两种。换填土法是在易发生土基冻胀的范围内用非冻胀性土置换冻胀性土，对此方法的使用范围和条件掌握不当，置换后材料周围反滤层失效，在长期运行中受周围原状土中细颗粒“淤塞”而改变了置换基土的不冻胀性，以及置换料的细粒含量未达到标准要求和施工不良等原因，往往达不到置换的目的。因此，由于置换土法对换填土本身质量及施工质量等要求严格，从经济和当地施工条件上考虑，沈阳地区不宜采用此法。

保温法是在护坡下铺设保温材料，减免渠床土基对护坡的冻胀作用。随着我国人工合成材料的发展和运用，越来越多北方地区的水利工程选择苯板作为保温材料，并在工程运用中取得很好的效果。选用苯板进行保温，削减或消除渠床土基冻胀，施工工序简单，并且避免大断面开挖和回填，节约工程投资。因此，沈阳地区首次渠道护坡防冻设计选择苯板保温法。

1 苯板保温分析和厚度计算

1.1 苯板性能

苯板是一种良好的隔热保温材料，具有导热系数小、不透水、吸水率低、耐老化、质量轻和运输施工方便等特点，保温苯板技术性能指标见表1。

表1 保温用苯板的技术性能指标

从已有工程应用来看，苯板的密度一般以不小于30kg/m3为宜。苯板吸水性对其导热率的影响很大，设计中应采用与最大吸水率相应的导热率。

1.2 苯板保温防冻胀原理

地基土发生冻胀的基本条件是负温、土质和水分，三者缺一不可。经科学研究，气温下降至零度以下，地下水埋深浅，土壤颗粒细时，渠道基土中水体受冻膨胀，引起基土膨胀，顶托渠道衬砌，破坏渠道。苯板保温层铺设在渠道衬砌与基土之间，因其导热系数小，可有效阻止渠道基土与大气间的热交换，减缓土体中水体受负温影响，提高了地温，有效地消除或减轻渠道基土膨胀。

1.3 苯板保温厚度计算

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23-2006)，渠系工程的设计冻深公式:

式中:Zd—渠系工程的设计冻深(cm);

Zm—历年最大冻深(cm)，取148cm;

φd—考虑日照及遮阴程度的修正系数;

φw—地下水影响系数;

φi—典型断面某部位的日照及遮阴程度修正系数;

α—系数，可根据工程所在的气候区、计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置;

Zwi—计算点的冻前地下水水位深度(m)，可取计算点地面(开挖面)至当地冻结前地下水水位的距离;

Zwo—邻近气象台(站)的冻前地下水水位埋深(m);

β—系数。

冻胀量计算公式如下:

式中:h—工程地点天然冻土层产生的冻胀量(cm);

hf—基础结构下冻土层产生的冻胀量(cm)。

当基础板厚度不大于0．5m时:

式中:Zf—基础下的设计冻深(m);

δc—基础板厚度(m);

δw—底板之上冻层厚度(m)。

《

水工建筑物抗冻设计规范》(SL211-2006)中，保温板厚度计算引入热阻等效原理，保温板厚度计算公式:

式中:δx、δc—保温板和底板的厚度(m);

R0—设计热阻(m2·℃/W);

λx、λc—保温板和地板的热导率(w/

m·℃);

φd—日照及遮阴程度影响系数;

K—安全系数，可取1．1 ～1．15。

2 苯板保温在浑蒲灌区一分干渠的应用

浑蒲灌区一分干渠设计流量7．48m3/s，加大流量9．35 m3/s，渠道断面为梯形，渠道底宽6m，内坡系数为 1∶1．75，外坡系数为1∶1．5，采用12cm钢筋混凝土板，下设2cm砂浆找平层，砂浆下铺设10cm苯板保温层。

2.1 一分干渠渠道自然条件

(1)气候分区

灌区多年平均气温7．6℃，七月最热，平均气温24．3℃;一月最冷，平均零下12℃。土壤最大冻土深度为1．48m。根据最冷月平均气温确定，灌区气候为寒冷。

(2)土质条件

渠道沿线以粉质黏土为主，弱透水，土中粒径小于0．075mm的土粒的质量为61%，属于冻胀性土。

(3)地下水位和土壤水

渠道沿线地下水位位于粉质黏土中上层，粉质黏土层含水率23．3%。

2.2 苯板保温层设计

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23-2006)和《水工建筑物抗冻设计规范》(SL211-2006)中公式计算，阴面渠道护坡冻胀量为3．81cm，地基土冻胀级别为Ⅱ级，保温层厚度为0．09m。考虑苯板受上部钢筋混凝土板荷载作用，有效厚度会减小，故渠道阳面、地面和阴面均取苯板厚度为10cm。

2.3 苯板铺设施工

渠道基面压实平整后铺设苯板保温层，苯板上用2cm厚的M7．5砂浆找平，最后支模浇注钢筋混凝土板护坡。苯板缝间可拼接也可粘接，保证苯板的连续性，施工中要防止错位移动。由于苯板本身质地轻，表面抗压强度低，渠道基面不平整容易架空苯板，砂浆层不平整容易使苯板受钢筋混凝土板压力不均匀，而使其损坏破裂，影响苯板的保温效果，因此，施工中要对苯板上下垫层面的平整度严格控制。