渠道衬砌防冻胀设计

曹永帅

（开封市汴龙勘察设计中心）

1 工程背景

河南省东部黄淮平原的M 灌区占地面积4 344.20 km2，规划灌溉面积21.73万hm2，其中充分灌溉面积13.60万hm2，非充分灌溉面积8.13万hm2。X干渠自二坝寨节制闸上游左岸闸孔引水，东北向穿过四明河，跨越兰菏公路至黄口止，桩号0+000～2+450，全长24.50 km，灌溉面积0.68 万hm2，是向兰考县北部农田输水的主要分干渠，设计流量三村两孔节制闸以上9.50 m3/s，三村两孔节制闸以下5.70～3 m3/s。

2 渠道衬砌方案

针对渠道提出全断面采用C20F200W6 现浇混凝土板衬砌，混凝土板厚10 cm，下设45 cm厚砂砾石垫层方案（方案一）以及渠底采用C20F200W6现浇混凝土板衬砌，混凝土板厚10 cm，下设45 cm厚砂砾石垫层，边坡采用C20F200W6预制混凝土板衬砌，混凝土板厚8cm，预制板下为2 cm砂浆找平层，下设45 cm厚砂砾石垫层方案（方案二），详见表1。

表1 渠道衬砌结构型式比较表

通过综合比较，灌区干渠渠道最终推荐采用方案一，即全断面现浇混凝土板衬砌的方案。

3 渠道衬砌防冻胀设计

由于渠道建筑物基础主要为粉土、粉砂，其粒径小于0.75×10-1mm的土粒含量大于总土重的10%，属于冻胀性土，因此需要对渠道建筑物进行抗冻胀设计。首先由设计冻深Zd计算出地基土设计冻深Zf，然后算出地表冻胀量h和地基土的冻胀量hf，再由建筑物底板允许法向抗冻胀力［σ］求出基础置换比ε，从而确定置换厚度。

3.1 基本参数的确定

3.1.1 实测历年最大冻深Zm

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006）和《工程地质手册》（第三版）判断，本工程区历年最大冻深为0.38 m，最小冻深0.18 m，计算设计冻深采用Zm=0.38 m和0.18 m。

3.1.2 设计冻深Zd

依照《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006）中所给出的设计公式，本渠道干渠抗冻胀设计冻深应当按照下式进行量化计算：

式中：Zd—本灌区干渠渠道抗冻胀设计冻深值（m）；Zm—历年最大冻深实测值（m）；Ψd—日照及遮阴程度影响系数，Ψi—典型断面某部位的日照及遮荫修正系数，查SL211-2006得Ψi=1.15；α—系数，由SL211-2006 表B.1.1-1 查得；ΨW—地下水影响抗冻胀设计的修正系数；β—调整系数，根据SL211-2006的规定，取β为0.63；ZWO—灌区所在地（如有）或邻近气象台（站）（如无）冻胀发生之前地下水位实际深度值，考虑到本灌区粉土质砂的地质条件，故ZWO取2.50 m；ZWi—计算点冻胀发生之前地下水位的实际深度（m），考虑冬灌时地下水上升的客观情况，应当根据渠底高程进行地下水位实际深度的计算。

灌区渠道设计冻深的计算结果详见表2。

表2 设计冻深Zd计算表

3.1.3 地基土设计冻深

式中：Zf—地基土设计冻深（m）；δc—涵闸底板（或墙）的厚度（m），取δc=0.10m；δw—冻前底板上面的冰层厚度（m），取0.00 m。

根据X干渠实际情况，渠道一般是在12月20日开始停水，停水时间一般为30 d～45 d，因此渠道按冬季不过水设计。基础设计冻深Zf计算如表3。

表3 基础设计冻深Zf计算表

3.1.4 地表冻胀量h

粉土、粘土、细粒土质砂地表冻胀量按下式计算：

式中：h—本灌区渠道地表实际冻胀量（cm）；Zd—灌区渠道设计冻深值（cm），如果进行地基土冻胀量实际值hf的计算，则应采用灌区渠道地基土设计冻深Zf代替渠道设计冻深值；Zw—冻胀发生之前（即在灌区渠道冻结初期）灌区渠道天然地表或设计地面高程起所计算得地下水位实际埋深（cm），为计算地基土冻胀量hf，应当自底板底面高程起进行渠道地下水位实际埋深的计算。

3.1.5 地基土冻胀量

灌区地基基础以下土（即地基土）的冻胀量主要采用《渠系工程抗冻胀设计规范》所提供的公式和算法进行确定，具体如下：

式中参数含义同前。根据本灌区渠道工程实际情况，所计算得基础下土冻胀量的结果如表4。

表4 基础下土冻胀量hf计算结果表

3.2 抗冻胀工程措施

本方案采用非冻胀性土质置换渠床冻胀性土的抗冻胀措施，换填材料采用砂砾石，《渠系工程抗冻胀设计规范》SL211-2006具体规定，灌区渠道粗粒土内粒径在0.75×10-1mm及以下的土粒重量应当在土样总重量中的占比不超过10%。换填层厚度采用换填比法计算：

式中：δ0—衬砌板厚度（cm）；ε——置换比（%）

根据相关公式及本灌区渠道实际情况，本工程换填厚度计算结果见表5。

表5 建筑物基础土置换深度计算表

根据地质勘探试验及相关计算结果，本灌区渠道起讫桩号为0+236～2+450段的冻胀等级为Ⅱ级，发生冻胀的可能性很大，故必须进行冻胀土的换填。经计算并结合类似工程实施经验，应在混凝土板下增设厚度10 cm的砂砾石防渗抗冻胀垫层。

4 结论

结合相关规范及灌区实际，进行了灌区衬砌渠道抗冻胀设计计算的初步论述，并提出灌区适用的抗冻胀措施。文章分析结果表明，渠道衬砌工程抗冻胀设计必须充分考虑项目区自然条件、工程水文地质条件，保证抗冻胀设计中各项参数取值的合理性。文章所提出的抗冻胀措施在类似灌区应用广泛，能确保渠道衬砌体的稳定安全性和经济实用性。