引黄调水明渠工程莱州段冻害防治措施

引黄调水明渠工程莱州段冻害防治措施
【摘要】本文结合莱州渠段的实际情况阐述了胶东地区明渠在设计、施工和运行管理中应采取的防治冻害和冰害的措施。

【关键词】明渠；冻害；防治措施
胶东地区引黄调水明渠工程长159.6公里，为减少渠道输水渗漏量，对明渠采用全断面衬砌。

胶东地区冬季气温低、负温持续时间长，土壤组成多为粉粒含量高的冻胀性土壤，沿线地下水位虽然不高，但输水时间主要集中在冬季，输水期间含水量相对较高，因此，输水渠在运行期间必然会出现渠床土壤冻胀现象，加上冻融和冰压力的影响，可能形成渠道衬砌的破坏。

1冻害、冰害对衬砌体的破坏类型
1.1衬砌结构本身抗冻性能差，在负温下冻结成冰，体积膨胀引起的应力超过材料强度，即产生裂缝，经多次冻融循环而破坏。

1.2冰压力造成衬砌结构破坏。

冬季输水期间，水体结冰，形成冰盖，随着冰层加厚，对两岸衬砌结构的冰压力也越大。

在此情况下，一是衬砌结构有可能在冰压力下被直接破坏或将衬砌体推上坡，二是当水面封冻后，流冰不断堆积，形成冰塞、冰坝，减小过水断面，抬高了水位线，可能造成水流漫堤，破坏渠堤。

1.3衬砌结构下面渠床基土在低温下冻结，土体膨胀，超过了衬砌结构的承载能力，造成衬砌结构开裂、隆起，反复冻融，导致衬砌结构失效。

2从设计入手，防止冻害、冰害
根据衬砌结构破坏类型，抗冻胀设计从如下三个方面考虑：
2.1确定衬砌材料抗冻等级
混凝土的抗冻等级是指混凝土在水饱和状态下，能经受多次循环冻融而不破坏，同时也不严重降低强度的性能，根据明渠工程设计年限要求，确定莱州胶东引黄调水明渠工程预制砼板抗冻等级采用F200。

2.2渠床基土防冻胀计算
规范规定：标准冻深大于10厘米的衬砌渠道和暗管、标准冻深大于50厘米的水闸、涵管等渠系建筑物，均应进行防冻胀设计，如渠坡及渠底冻胀量大于允许位移值，需采取保温措施。

根据《水工建筑物抗冻胀设计规范》（SL211－98），结合莱州市气象资料对莱州输水明渠衬砌结构进行冻胀量计算如下：
2.2.1冻结深度的确定
１）标准冻深
计算公式为：Zk＝a*I00.5
Zk——工程地点的标准冻深（cm），I0——冻结指数，a——系数，按规定选取。

莱州段I0＝201.45，a＝2.96，标准冻深为42.01cm。

2）设计冻深
（１）计算公式
Zd＝∮f*Kd*KW*Zk
Zd——工程设计冻深，cm。

∮f——冻深年际变化的频率模比系数，可从规范的曲线图查得。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级建筑物按频率为5％的曲线查取。

Zk——工程标准冻深
Kd——考虑日照及遮荫的修正系数。

KW——地下水影响系数。

（2）日照及遮荫影响系数（Kd）
Kd值与工程地点的气候、位置（阳面、阴面或底面）有关。

Kd＝a+b*Ki，a，b——系数，a，b的值均可从规范所给的表中查得，Ki可查规范中Ki分布图。

（3）地下水影响系数（KW）
渠道断面各点的冻胀程度取决于土中含水量的高低，地下水位低于渠底但小于临界水深，在毛细管力的作用下，地下水上升，渠底和渠坡都发生冻胀，渠道输水时，在冰面附近的渠坡冻涨力最强。

KW＝（1+ae-Zwo）/（1+ae-Zwi）
Zwo——附近气象站地下水位深度（m）
Zwi——计算点的地下水位深度（m）
a——系数，见表1。

表1
（4）设计冻深值
H0＝42.01，∮f＝1.34，Kd、KW的值随不同地点取值不同。

根据选取的典型断面计算结果，胶东地区输水明渠莱州段设计冻深阳面在42.21～53.47厘米，底面60.22～64.72厘米，阴面73.16～81.61厘米。

2.2.2冻胀量的确定
土的冻胀量可分地表冻胀量和基础下冻土层冻胀量。

由于渠道衬砌板自重小，又无外加荷载，因此设计中可仅考虑地表冻胀量，而不考虑基础底下地基土冻结层的冻胀量。

地表冻胀量大小与负温、土质、水分有关。

粘性土冻胀量大，砂性土冻胀量小；地下水埋深浅冻胀量大，埋深大冻胀量小。

根据设计冻深的值，冻胀量的大小可从规范查图求得。

经过计算查得，莱州段胶东地区输水明渠冻胀量阳面在2.91～6.11厘米，底面5.09～7.78厘米，阴面7.07～11.68厘米。

2.2.3渠道衬砌结构允许法向位移值
根据规范规定，Ⅰ级工程梯形断面渠道混凝土衬砌结构冻胀允许法向位移值为5mm。

由上面计算结果可知，渠坡及渠底冻胀量均大于允许位移值，需采取保温措施。

2.2.4削减冻胀保温措施
削减冻胀可分为置换砂砾垫层、隔热保温、压实干密度、防渗排水等，其中隔热保温法具有隔热保温性能好、价格低、施工方便等优点，当前在国内、外得到了广泛的应用。

1）保温材料的选择
随着工业化的发展，聚苯乙烯泡沫塑料泡沫板，具有自重轻、强度高、吸水性小、抗老化、施工方便等优点，同时由于材料有一定的压缩性，可以削减对衬砌体的冻涨力，因此，应用较多。

2）保温板厚度计算
聚苯乙烯保温板的取用厚度，根据工程实践和热工计算，一般可取设计冻深值的1/10～1/15。

如用量较多，为节省材料和安全起见应进一步通过热工计算复核确定。

Hb＝mb（H/m上-hs/ms），Hb、hs——聚苯乙烯保温板和砼板的厚度（m）；mb、m上、ms——聚苯乙烯保温板、渠床基土、砼板的导热系数（w/m*h。

c）；H——等效土层厚度（m）。

此处，H取设计冻深值；hs＝0.06；ms可取1.74；m上与土的性质有关；mb＝0.04。

经计算，确定渠道保温板厚度在2～4厘米。

3从施工入手，防止冻害
3.1施工保证良好的排水系统。

基土水分含量是影响冻胀的重要因素，在施工过程中，要按照设计排水要求，降低土壤含水量。

3.2保证防渗工程质量，防止漏水。

在铺设防渗土工膜时要处理好材料的接缝，处理好混凝土板变形缝的填料，在施工过程中，不能刺破防渗层，刺破后必须粘补密封。

避免影响防渗效果。

3.3土方回填碾压要保证质量，达到设计要求的压实度。

3.4保温材料铺设时要粘结牢固，铺设满足设计尺寸要求，不能出现少铺、漏铺现象。

施工过程中不得人为踩踏保温板和放置重物，避免造成保温板断裂，破坏保温板的整体性，影响保温效果。

4从管理运行入手，防止冻害
4.1易受冰压损坏的部位，可采用人工、机械破冰或其他措施扰动等防护措施。

4.2冰冻期注意排干积水，降低地下水位，减压排水孔应及时清淤，保持畅通。

4.3采用草、土料或其他材料覆盖保温。

4.4加强检查，对衬砌表面，特别是设计水位线附近出现的剥蚀和裂缝及时修补，避免造成更大的破坏和损失。

4.5输水渠出现冰凌时，特别要加强输水渠弯道处及建筑物前的巡查，防止冰块在弯道处和建筑物前堆积堵塞，抬高水位，造成漫堤，形成灾害。

5结语
国内外许多工程实践证明：采取单一措施是难以达到防治衬砌工程的冻害、冰害的目的，要针对产生冻胀的因素，采取有主有次的综合措施。

不但是规划布置、渠道设计、排水、保温、衬砌结构等措施经济合理，而且要重视施工质量、管理维修，才能达到满意的防冻害效果。

【参考文献】
［1］SL211-98 水工建筑物抗冻胀设计规范[S].1998．
［2］王喜民，步丰湖.河套灌区骨干渠道衬砌工程的试验与探讨[J].中国水利，2004，3.
［3］王流泉，赵文清，姚丽华.南水北调中线工程渠道防冻胀设计中的几个问题[J].南水北调与水利科技，2004，5.。