浅析混凝土防渗衬砌渠道抗冻胀设计应用

混凝土防渗衬砌渠道抗冻胀设计应用浅析

摘要：本文以伊犁河谷地重大工程团结渠灌区一期土地开整理项目混凝土防渗衬砌渠道抗冻设计为例，简要论述了伊犁河谷地重大工程团结渠灌区混凝土衬砌渠道抗冻胀设计的计算方法，分析地下水埋深与混凝土衬砌渠道设计冻深的关系，进行衬砌结构抗冻胀稳定计算，确定相应的抗冻胀措施。计算结果表明，渠道设计冻深随地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而增加，设计冻深与工程区标准冻深值成正比；基础冻胀量随工程区地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而递减；混凝土衬砌渠道阴坡冻胀量最大。

在渠道衬砌工程抗冻胀设计中，设计人员要掌握灌区气象资料、工程地质及水文地质条件、冻土资料等，合理确定抗冻胀设计中的各种参数，以此保证设计的准确性。关键词：冻胀条件;设计冻深;冻胀量;防冻措施

0、绪论

我国西部区域的，大部分地区处于干旱区，年均降水量147.4mm（大部分地区降水量少于200mm），年降水总量仅占全国的3.92%，在，没有灌溉就没有农业，农业耕作全靠灌溉方式实施。而现状农业用水占水资源总使用量97%，随着工业化、城市化的发展，农业用水将进一步紧。据统计自治区每年从渠道渗漏掉的水量约为21亿m3 。所以，建好渠道防渗工程，堵住这个浪费水的大洞，提高渠系水利用率，是实现节水型农业的重要工程措施。20世纪50年代已开始渠道防渗衬砌技术的应用于研究，衬砌防渗的主要结构形式有砌石、混凝土预制板、现浇混凝土板、塑料薄膜及塑膜加保护层

的复式结构等。在高寒地区，这些防渗工程均存在不同程度的冻胀破坏问题，不仅直接影响渠道的正常使用，浪费了水资源，而且增加了修复次数和工程费用。因此，研究混凝土衬砌渠道抗冻胀设计具有现实意义。

1、项目概况

1.1 项目地理、气候条件

项目区属于伊犁河流域分灌区之一团结灌区围，团结灌区从特克斯河山口引水枢纽引水，属于恰甫其海水库的效益工程，本次伊犁河谷地重大工程团结渠灌区土地开发整理一期工程从团结渠灌区前进支干渠引水，经过阿克塔木牧业支渠到达项目区。地理位置：东经82°23′04″～82°28′54″、北纬43°33′03″～43°35′53″。输水支、斗渠均采用混泥土板衬砌防渗、砂砾石置换渠基土结构形式。

项目区气候属于北温带大陆性气候类型，特征：东长夏短；夏凉而无干热；冬长而寒冷，寒潮较多。其特征值如下：最冷月平均气温-11.2℃，年平均气温为8.3℃，历年极端最高气温为39℃，历年极端最低气温为-30℃；多年平均降水量为256.6mm，多年平均蒸发量为1437mm，最大冻深为106cm，多年平均冻深为75cm；平均风速为3.2m/s，实测最大瞬时风速为28m/s，主要大风为东风。

1.2 渠道工程地质特点

渠道工程地质特点：①支、斗渠沿线0~1.5m为低液限粘土，土黄色为主，可塑~硬塑，天然含水量22.3%~32.2%，液限33.7%~38.6%，塑限15.8%~24.1%，具弱透水性。

②工程区勘测期间低水位埋深在0.8m~2m。③场地沿线为冻胀土基，设计时必须考虑场地冻胀问题。④本区筑堤土料及砂砾石料场储量丰富，且符合质量要求。⑤渠线区域地质构造稳定，地震基本烈度为8 度。

2、混凝土衬砌渠道渠道抗冻胀设计

2.1衬砌渠道抗冻胀设计条件

抗冻胀设计条件为：①土质中粒径小于0.05mm 的细颗粒质量分数超过6%；②标准冻深取多年平均冻深0.75m；③场地地下水埋深较浅，土层中含水量较大，冻结初期

土层含水量均大于0.9倍的塑限含水量，粘土毛水管上身高度为2m ，大于工程区的地下水埋深。依据《渠道防渗工程技术规》（SL18-2004）和《水工建筑物抗冰冻设计规》（SL211-2006）要求，对项目区混凝土衬砌渠道必须进行抗冻胀设计。

2.2衬砌渠道抗冻胀设计容

（1）设计冻深计算

根据《渠系工程抗冻胀设计规》（SL 23—2006）渠系工程的设计冻深可按公式①计算：

m w d d Z Z ⨯ψ⨯ψ= ①

式中：d Z ——渠系工程设计冻深（cm ）；

m Z ——历年最大冻深（cm ），取106cm ；

d ψ——考虑日照及遮阴程度的修正系数（i d ψ-+=ψ)1(αα）；

w ψ——地下水影响系数，wi w z e

z e w --++=ψββ110

Z wi ——计算点的冻前地下水位深度，取0.8m （m ）；

Z wo ——临近气象站冻前地下水位埋深（m ）；经调查巩留县气象站冻前地下

水位埋深取Z wo =2.0m 。

β——系数，查规取0.63。

具体计算参数取值及衬砌渠道不同走向、不同位置设计冻深计算结果见表1。

根据地勘资料，设计渠道沿线地下水埋深0.8~2m ，分别代入公式①计算可知，衬砌渠道冻胀与地下水埋深关系密切，设计冻深随地下水埋深的增加而增加，但是当地

下水埋深大于2m 后设计冻深增长缓慢。

（2）冻胀量计算及冻胀等级确定

根据《渠系工程抗冻胀设计规》（SL 23—2006），基础结构下冻土层产生的冻胀量hf 可按公式②计算：

d f f Z hZ h /= ②

式中：h f ——基础结构下冻土层产生的冻胀量（cm ）；

h ——工程地点天然冻土层产生的冻胀量（cm ）；

f Z ——基础设计冻深（cm ）；

w

c d f Z Z δδ6.135.0--=

式中：c δ——基础板厚度，c δ =8厘米；

w δ——底板之上冰层厚度，w δ=0； 根据计算可以发现，衬砌渠道基础冻胀量随工程区地下水埋深增加而递减，表明地下水埋深对衬砌结构的冻胀影响随两者之间垂向距离的增加而消弱。经计算本项目混凝土衬砌渠道底部、坡板（除E-W 阳面边板），冻胀量为2.4~4.7cm ，其冻胀级别为II 级，根据《渠系工程抗冻胀设计规》第18页表4.2.2。U 型断面混凝土衬砌结构允许法相位移值为2.0~5.0cm ，梯形断面混凝土衬砌结构允许法相位移值为0.5~1.0cm 。由于本项目混凝土板衬砌渠道要满足灌区的冬灌，在结冰期来临时，渠侧的地下水埋深均较其他季节高，故为工程运行安全考虑，本设计渠道衬砌结构均需采取抗冻胀措施。渠道基础冻胀量计算参数取值及冻胀量计算结果见表2。

（3）抗冻胀措施确定