小型灌区渠道抗冻胀方案探讨

朱　琳

(甘肃省科学院 自动化研究所,甘肃 兰州　730000)



小型灌区渠道抗冻胀方案探讨

朱琳

(甘肃省科学院 自动化研究所,甘肃 兰州730000)

摘要季节性冻土地区的基土冻胀破坏会降低渠道水利用系数。在抗冻胀设计中,常用的防止冻胀措施为预制C15混凝土+砂砾石垫层弧底梯形渠和预制C15混凝土+聚笨乙烯泡沫板弧底梯形渠两种衬砌形式。通过在小型灌区渠道改建设计中对比两种措施分别在两种常见的断面型式下投资直接费用,得出在小型渠道抗冻胀措施中砂砾石垫层方案投资经济具有一定的优势。

关键词小型灌区砂砾石垫层；渠道冻胀;防冻胀设计

临夏县尹川灌区夏惠渠节水改造工程位于临夏县西南部,干渠全长10.82 km,建于1956年。经过五十余年的运行,渠道塌陷、冻胀、裂缝、淤积,输水能力下降,输水损失加大,水资源利用率低,严重制约着灌区农业经济的发展和生态环境的改善。

工程区属季节性冻土地区,渠道衬砌如果不采取一定的防冻胀措施,将会经常发生基土冻胀破坏。主要表现为衬砌鼓胀裂缝、隆起架空、整体上抬、衬砌块错位等,严重的情况还会造成衬砌破碎或者滑塌[1,2]。渠道衬砌的冻胀破坏,导致其失去防渗减糙作用,增大渠道的输水损失,降低渠道水利用系数[3]。为避免衬砌发生基土冻胀破坏,保证渠道衬砌的防渗减糙作用,应针对不同的基土冻胀情况,采取相应的衬砌结构形式。桩号K0+000～K3+780、K3+860～K5+160、K5+300～K7+628段为预制C15混凝土+砂砾石垫层防冻胀的弧底梯形渠断面,桩号K8+340～K10+820段为预制C20U形混凝土构件+砂砾石垫层防冻胀的断面。

1渠道防冻胀设计

1.1工程介绍

工程区处大夏河下游低山丘陵区,属大陆性温带半干旱气候,流域内受地形影响,水汽输送条件较好,降水较为充沛。全年平均气温5.9 ℃,极端最高气温29.7 ℃,极端最低气温-24.8 ℃,最大冻土层厚度1.11 m,光、热、水资源条件比较优越。

1.2干渠抗冻胀设计

依据《渠系工程抗冻胀设计规范》[4],须进行渠道混凝土防渗衬砌的防冻胀设计。

(1)渠道设计冻深渠道设计冻深计算公式为

Zd=Ψd·Ψz·Zm,

(1)

其中:Zd为工程设计冻深(cm)；Zm为历年最大冻深,111 cm；Ψd为考虑日照及遮阴程度的修正系数;Ψz为地下水影响系数。

Ψd的计算公式为

Ψd=α+(1-α)Ψi,

其中:Ψi为典型断面某部位的日照及遮阴程度修正系数,查表得阴阳面中部的系数为1.15,底面中部的系数为1.1；α为系数,查表得NE45°走向弧底梯形渠(阴面、阳面及底面)中部的系数分别为-0.12、0.67、0.55,NE45°走向U形渠(阴面、阳面及底面)中部的系数分别为-1.8、-1.47、-1.79。

Ψz的计算公式为

其中:Zw0为计算点的冻前地下水位深度,按1.5 m考虑；Zwi为临近气象台(站)的冻前地下水位深度,取2.0 m；β为系数,取0.79。

计算得干渠设计冻深见表1。

(2)基础设计冻深因基础板厚度小于0.5 m,采用下式计算基础设计冻深:

Zf=Zd-0.35δc-1.6δw,

其中:Zf为基础设计冻深(m)；δc为基础板厚度,0.08 m；δw为底板之上冰层厚度,0。

计算得干渠基础设计冻深见表2。

(3)冻胀量渠道天然状态下的冻胀量可根据土质和冻结前地下水位埋深情况查取,干渠位于砂壤土、粉质壤土地基之上,查得冻胀量为4.9 cm。

基础结构下冻土层产生的冻胀量hf为

hf=hZf/Zd,

其中:h为工程地天然冻土层产生的冻胀量,4.9 cm。计算得渠道的冻胀量均为5 cm。

(4)渠基土的冻胀性级别按照《渠系工程抗冻胀设计规范》[5]中地基土的冻胀性工程分类,属Ⅱ级冻胀。

防冻胀验算如下:

取渠道横断面上的最大冻胀量5 cm,作为衬砌渠道的最大冻胀位移值。改建渠道主要采用混凝土衬砌弧底梯形渠和U形渠两种断面型式[6],规范允许位移值分别为1～3 cm、2～5 cm,渠道的最大冻胀位移值大于允许位移值,需采取防冻胀措施[7,8]。

抗冻胀措施如下:

① 衬砌渠道沿渠线方向每隔5 m设冻胀变形缝,缝内填充柔性止水材料;

② 每年进行一次衬砌体的裂缝修补,衬砌体的封顶应保持完好,不允许有外水流入衬砌体背后;

③ 用翻夯法提高渠床土的密度,要求压实度不低于0.98,干密度不低于1.65 g/cm3;

④ 采用非冻胀性的砂砾石置换冻土层,在衬砌板下铺设砂砾石垫层,渠床各部位置换深度0.3～0.5 m;

⑤ 渠道横断面采用抗冻胀变形能力强的U形和弧底梯形断面。

1.3防冻胀设计

该方案主要采取抑制冻胀力对渠道的破坏,根据《渠道防渗工程技术规范》[4]确定预制C15混凝土弧底梯形、U形断面,混凝土设计强度为C15,防冻标号为F50,防渗等级为W6。

预制C15混凝土+砂砾石垫层防冻胀的弧底梯形渠防冻胀设计如下:

根据冻胀计算结果,确定砂砾石垫层厚度为0.3 m,防渗层梯形边坡为6 cm厚、弧底8 cm厚C15混凝土预制,圆心角为77°,梯形边坡1∶1.25。混凝土预制块下部敷设0.18 mm塑料布一层,中间加2 cm厚M5.0砂浆垫层,底部为砂砾石垫层。

预制C15U形混凝土构件+砂砾石垫层防冻胀的U形渠防冻胀设计如下:

根据冻胀计算结果,确定砂砾石垫层厚度为0.3 m,防渗层为C15混凝土整体预制U形槽,预制件厚度8 cm,圆心角为164°,设计渠口宽混凝土预制块下部敷设0.18 mm塑料布一层,中间加2 cm厚M5.0砂浆垫层,底部为砂砾石垫层。

2渠道防冻胀设计方案比较

2.1方案提议

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》[5]规定,可供比选的抗冻胀处理方案主要有:

方案Ⅰ:预制C15混凝土+砂砾石垫层防冻胀的方案;

方案Ⅱ:预制C15混凝土+聚苯乙烯泡沫板铺设防冻胀的方案[9]。

2.2置换层深度确定

根据抗冻胀计算,方案Ⅰ在衬砌板下铺设的砂砾石置换层深度为Hn=30～50 cm,设计置换深度取30 cm。

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》[5]规定,对于小型渠道,聚苯乙烯泡沫板厚度的确定可按1 cm的保温板可减少10～15 cm冻深估算,聚苯乙烯泡沫板设计厚度取8 cm,可消除渠床土的冻胀,保温板采用全断面铺设。

2.3经济比较

不同方案所采用的防冻胀措施不同,工程投资差别比较大,两种方案每米投资见表3。

从表3可以看出,方案Ⅰ与方案Ⅱ相比,弧底梯形渠方案Ⅰ每米投资比方案Ⅱ低38.32元,U形衬砌方案Ⅰ每米投资比方案Ⅱ低35.22元。

2.4防冻胀方案综合评价

(1)预制C15混凝土+砂砾石垫层防冻胀的方案预制C15混凝土+砂砾石垫层防冻胀方案具有经济、快捷、简便的特点,在季节性冻土地区的渠道防冻胀措施中运用广泛。首先是渠基填筑30 cm的砂砾石垫层,在地下水位上升到垫层时,砂砾石垫层起透水作用,该方法改变了渠道的基土条件,减少或消除了渠基冻胀。其次增设防渗膜,在衬砌下铺设塑膜防渗层,减少渗水,降低基土水分含量,可有效地减少或消除渠基冻胀。最后是渠道衬砌全部采用预制混凝土构件,预制混凝土构件在基土冻胀作用下,容易适应基土冻胀变形,而不发生混凝土构件结构破坏,对弧底梯形段渠道,由于呈三角形分布的冻胀力主要由底弧段承受,设计将底弧段设计为8 cm,比渠坡段加厚2 cm。

该方案的优点是:①对渠基进行了换填,改变了渠道的基土条件;②由于本工程干渠主要绕行于大夏河右岸Ⅱ、Ⅲ级阶地后缘地带,附近料场换填料充足,工程造价低;③对于小型灌区,渠基换填厚度小,施工技术要求不高、控制施工质量难度不大;④对于以工代赈工程,需结合当地群众的投工投劳,以符合以工代赈工程为受益区群众造福的原则。缺点是:①换填料的质量把握有一定的难度,要求回填含土量小于5%的料;②防渗塑膜位于垫层上面,施工中容易遭到破坏,达不到彻底防渗的效果。为解决这一缺点,设计中可增设一道砂浆垫层,具体为:在换填料上设2 cm砂浆垫层,后铺设防渗塑膜,塑膜上加设一道2 cm砂浆垫层,最后铺砌混凝土防渗板。

(2)预制C15混凝土+聚苯乙烯泡沫板铺设防冻胀的方案预制C15混凝土+聚苯乙烯泡沫板铺设防冻胀的方案造价较高,该方案在甘肃省已逐步推广,有一定的推广价值。聚苯乙烯泡沫板保温效果好,具有一定的弹性,减少或消除了渠基冻胀。优点是:①采用8 cm的聚苯乙烯泡沫板,渠道开挖断面小,渠基土方工程量较小;②施工工艺简单,耐久性好。缺点是:①须从外地生产厂家采购,运距大;②当地群众的投工投劳程度低;③回收利用程度低,易遭成环境污染。

3结语

为避免衬砌发生基土冻胀破坏,保证渠道衬砌的防渗减糙作用,应针对不同的基土冻胀情况,结合冻胀计算成果确定的换填料厚度,采取相应的防冻胀形式。

对于以工代赈项目小型灌区渠道抗冻胀措施,在地基土冻胀级别不高,不影响渠基抗冻胀要求的情况下,采用换填砂砾石垫层方案,可有效降低工程投资,并提高当地群众的投工投劳程度,更加符合于国家以工代赈项目投资的精神。

参考文献：

[1]张茹.季节性冻土地区衬砌渠道冻胀及防治措施[J].山西水利科技,2006,36(2):34-36.

[2]吴富萍.冻土区渠道防渗工程冻胀的防治措施[J].东北水利水电,1996,4(1):15-18.

[3]刘振德.渠道刚性衬砌防冻胀结构选择[J].中国水利,2004,55(16):52-53.

[4]中华人民共和国水利部.SL 18-2004.渠道防渗工程技术规范[S].北京:中国水利水电出版社,2004.

[5]中华人民共和国水利部.SL 23-2006.渠系工程抗冻胀设计规范[S].北京:中国水利水电出版社2006.

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[7]李甲林.渠道衬砌冻胀破坏力学模型及防冻胀结构研究[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[8]曹倩,孙博,曹文京 .明渠衬砌冻胀破坏成因分析及防冻胀措施研究[J].地下水,2012,34(4):173-175.

[9]刘玉军.新疆灌溉渠道防渗抗冻胀设计方法研究[J].水利科学与经济,2013,19(8):56-58.

A Discussion of Channel Frost Heave Resistance Program on Small-sized Irrigation Area

Zhu Lin

(Institute of Automation ,Gansu Academy of Sciences ,Lanzhou 730000,China)

Key wordsSand and gravel stratum of small-sized irrigation area;Channel frost heave;Design of frost-heaving protection

AbstractOn seasonally frozen ground area,frost heave damages of base soil will reduce channel water utilization coefficient. In the frost heave resistance design,the frost heave resistance measures commonly used have two lining forms,which are trapezoidal channel with arc bottom of prefabricate C15concrete plus sand and gravel stratum and of prefabricate C15concrete plus polystyrene foam board. The comparison of direct investment cost of two different measures respectively under two commonly sectional forms from designs of channel reconstruction of small-sized irrigation area indicates that the sand and gravel stratum program in the frost heave resistance measure of small-sized channel has a certain advantage in investment economy.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.019.

收稿日期：2015-06-10;修回日期：2015-07-16.

作者简介:朱琳(1988-),女,甘肃兰州人,助理工程师,研究方向为地基处理和检测技术.E-mail:26730467@qq.com.

中图分类号:TV698.26

文献标志码：A

文章编号：1004-0366(2016)03-0089-04

引用格式:Zhu Lin.A Discussion of Channel Frost Heave Resistance Program on Small-sized Irrigation Area[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):89-92.[朱琳.小型灌区渠道抗冻胀方案探讨[J].甘肃科学学报,2016,28(3):89-92.]