南水北调团城湖明渠工程渠道衬砌防冻胀结构选择浅析

　　摘  要  渠道混凝土衬砌冻胀破坏与基土冻胀的不均匀性、衬砌受到的约束及其抵抗或适应基土冻胀变形的能力等因素有关。针对明渠所处的地理位置和水文地质条件，选择适当的防冻胀结构，降低基土冻胀的不均匀性、减少衬砌结构的约束条件、提高衬砌结构的强度和适应变位的能力，是提高渠道耐久性的关键。

　　Abstract: the concrete lining damage channel freezing expansion and the soil frost heaving the inhomogeneity of the lining of the constraints, by its resistance or adapt to the soil freezing expansion of the deformation of the other factors, such as the ability. Open in place of geographical location and hydrological, geological conditions of the choice of appropriate anti-freeze bilge structure, reduce the soil frost heaving the inhomogeneity of the lining structure, reduce the constraint, improve the strength of the lining structure and adapt to the ability of displacement, the key is to improve the durability of the channel.

　　1  工程概述

　　南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）工程建设的任务是按照年净调水10亿m3的规模兴建输水总干渠工程，为2007年以前将河北省西大洋、王快、岗南、黄壁庄等水库的水调向北京，为北京提供应急备用水源创造条件，最终是将丹江口水库的优质水源安全、可靠的输送到终点团城湖，向北京市提供生活、工业用水，从根本上解决北京水资源的供需矛盾。

　　团城湖明渠上接西四环暗涵出口闸，下接团城湖下游京密引水渠，为总干渠末段工程，全长885m。其中明渠段总长为777.8m，采用复式断面，渠底宽12m，边坡1:2，上开口宽度为51m。水面以下采用混凝土衬砌，水面以上采用卵石护砌。

　　2  渠道衬砌方式的确定

　　2.1  气象条件

　　年平均气温在11～12℃，年极端最高气温一般在35～40℃之间；年极端最低气温一般在-14～-20℃之间。7月最热，月平均气温为26℃左右，1月最冷，月平均气温为-4～-5℃。

　　根据该渠段沿线气象站历年冻土统计资料分析，最大冻土深通常发生在2月份，深度一般在0.5～0.8m之间，多年平均冻土深0.47m。

　　2.2  地质条件

　　工程区穿越京西冲洪积平原，地势平坦，总体呈西南高东北低。勘探揭露的地层结构总体特征呈上部为人工填土及第四系冲洪积重粉质粘土、粉质粘土、粉细砂，下部为第四系冲洪积圆砾夹砂层透镜体。渠道地质结构划分为：上粘性土、下卵砾石双层结构段（Ⅲ7）。

　　2.3  衬砌型式的确定

　　根据《南水北调中线一期工程总干渠初步设计明渠土建工程技术规定》，明渠段衬砌底板厚为8cm，边坡为10cm。现浇砼衬砌渠道一般间隔10m设一道纵、横伸缩缝（贯穿缝），每间隔5m设一道半缝。另外，根据《水工设计手册(8)-灌区建筑物》中的规定，对于衬砌厚度大于10cm的渠道，其伸缩缝间距为4~5m。按照以上规定，并综合考虑本工程的实际情况，在初步设计时，将明渠段衬砌厚度定为12cm，横缝分缝长度定为5m，缝宽为2cm，缝间填泡沫板，并在迎水面采用聚硫密封膏嵌缝。

　　明渠横断面图

　　2.4  防冻胀设计

　　2.3.1  渠道冻胀破坏的影响因素

　　渠道衬砌发生基土冻胀破坏，主要表现为衬砌鼓胀裂缝、隆起架空、整体上抬、板块错位，严重的还会造成衬砌破碎或滑塌。渠道衬砌基土冻胀破坏与基土冻胀位移量大小及其不均匀程度、衬砌结构受约束条件、衬砌结构抵抗或者适应基土冻胀变形的能力等因素有关。主要有以下几个方面。

　　(1) 基土冻胀及其不均匀性。基土发生冻胀并不一定造成衬砌破坏，基土冻胀还必须具有一定的不均匀性。主要有以下几个原因：

　　① 基土水分条件沿渠坡的分布不同。

　　② 基土土质的不同。

　　③ 受日照与遮荫不同。

　　④ 保温效果的不同。

　　⑤ 冬季渠道水位上下冻结条件的不同，造成水面上下渠坡具有不同的冻胀。

　　(2) 衬砌混凝土发生基土冻胀位移时受到约束。衬砌基土发生冻胀时，衬砌结构受到约束作用，使其不能随着基土冻胀而发生位移造成破坏。

　　(3) 衬砌混凝土板抵抗或适应基土冻胀变形能力。在衬砌基土的冻胀性确定以后，衬砌是否发生基土冻胀破坏，主要决定于衬砌混凝土板抵抗或适应基土冻胀变位的能力。其影响因素主要有以下两个方面：

　　① 衬砌板的结构形式及混凝土强度。

　　② 衬砌板分块大小。

　　2.3.2  冻胀计算

　　据明渠所处地段的地形地质条件和水文气象条件，渠道设计为半挖半填断面。根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-2006），对冻结深度Zd，基础设计冻深Zf，冻胀量h，基础结构下冻土层产生的冻胀量hf，置换深度分别进行计算。

　　(1) 冻结深度计算

　　式中：Zm―历年最大冻深（cm）；根据北京地区的冻深观测资料，最大冻深为80cm；

　　ψd―考虑日照及遮阴程度的修正系数，按下式进行计算：ψd＝α+（1－α）ψi；

　　其中：ψi―典型断面（渠道走向N－S，底宽与深度之比B/H＝1.0，坡比m＝1.0）某部位的日照及遮阴程度修正系数。查图3.1.4-1得，ψi＝1.10；

　　α―系数，根据所在的气候区、计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置，查表3.1.4取得。α渠坡＝0.65，α渠底＝0.70。

　　据此算得ψd＝1.035（渠坡），1.030（渠底）。

　　ψw―地下水影响系数，按下式计算：

　　其中：Zwi―计算点的冻前地下水水位深度（m），为计算点地面至当前地下水水位的距离，取2.2m；

　　Zw0―邻近气象台的冻前地下水水位埋深（m），取3.0m；

　　据此计算得：ψw＝0.956。

　　根据以上公式，算得明渠段冻结深度79.1cm（渠坡），78.8cm（渠底）。

　　(2) 基础设计冻深

　　基础设计冻深是指计算点自底板底面算起的冻深。本工程明渠底板和护坡厚度均为12cm，因此按下式计算：

　　式中：Zd―设计冻深（m）；

　　δc―基础板厚度（m），取0.12m；

　　δw―底板之上冰层厚度（m），取0.5m；

　　算得基础设计冻深Zf＝78cm。

　　(3) 冻胀量计算

　　由于本工程不具备现场观测资料，因此根据规范，采用查表的方式求得冻胀量h等于1.65cm。

　　基础下冻土层产生的冻胀量hf按以下公式计算：

　　hf＝hZf/Zd

　　求得hf为1.63cm。

　　2.4.2  防冻胀材料的选择

　　根据渠道衬砌基土冻胀破坏原因和衬砌结构对基土冻胀的影响分析，选择防冻胀衬砌材料应从以下三方面考虑。

　　(1) 减少基土冻胀量。引起基土冻胀的土、水、温三个条件中，消除其中一个条件就不会发生冻胀。换填基土衬砌，把冻胀性土换成非冻胀性土（如砂砾料），改变基土条件，减少或消除冻胀。保温衬砌，在刚性衬砌的下面铺设一层保温层，形成保温衬砌结构，改变基土温度条件减少或消除冻胀。

　　(2) 改善衬砌的约束条件。对于冬季不输水渠道渠底对渠坡、渠坡对渠底的约束，使衬砌受力均匀。

　　(3) 提高衬砌抵抗或适应基土冻胀变位能力。加大衬砌厚度、提高衬砌的整体性和增加衬砌材料强度，可以使衬砌具有较强抵抗基土冻胀变位的能力。

　　通过以上分析可以看出，对明渠进行防冻害处理的措施是多样的，选择何种措施，须因地制宜，即保证工程质量，又得在经济上合理。结合工程所处位置的气候、地形地貌、地下水以及与相邻工程的关系等综合因素，采用了置换砂砾料垫层，并且在衬砌下方铺设塑膜防渗层减小渗水作为防冻害的处理措施。

　　2.4.3  砂砾料厚度的确定

　　根据以上计算结果，可知本工程地基土的冻胀级别为Ⅰ级。相应的衬砌结构允许法向位移值为0.5～1.0cm。由于基础下冻土层产生的冻胀量大于衬砌结构允许的法向位移值，因此需要在衬砌下部采取抗冻胀措施，以保证衬砌的稳定性，防止发生冻胀破坏。本工程在初步设计时，采用渠基换填砂砾料的措施防止冻胀破坏。置换深度按下式计算。

　　式中：δ0―衬砌板厚度（cm），本工程渠坡和渠底衬砌厚度均为12cm；

　　ε―置换比（%），参照京密引水设计时的换填比，取为65.7%；

　　由此算得置换深度Ze为39.7cm，因此换填砂砾料厚度为40cm。

　　2.4.4  其它衬砌材料的比较

　　为防止发生冻胀破坏，也可采取在衬砌下铺设保温材料聚苯乙烯泡沫塑料板，其厚度按下式计算：

　　式中：R0―保温基础设计热阻值；

　　αw―保温材料的导热系数修正系数，取1.1；

　　δc―基础材料厚度，取12cm；

　　λx―保温材料在自然状态下的导热系数；

　　λc―基础材料的导热系数。

　　经验算得需要的聚苯板厚度约为5cm。其物理机械性能应满足下表的要求：

　　本工程中，采用置换砂砾料或者铺设聚苯板均可以作为防止衬砌发生冻胀破坏的措施，经综合对比，两种方案各自存在以下的优缺点：

　　(1) 置换砂砾料

　　优点：

　　1) 砂砾料为非冻胀性土，孔隙率较大，可形成良好的排水通道，对其下部未置换的冻土层发生的冻胀，具有良好的适应性。

　　2) 根据本工程的土方平衡设计，换填所需要的砂砾料可全部来自相邻工程段开挖产生的弃料，不用外购，节约了投资。

　　3) 砂砾料为天然材料，不存在污染和使用年限问题，满足世纪工程的要求。

　　缺点：在渠坡施工时，铺设和碾压存在一定的施工难度。

　　(2) 铺设聚苯板

　　优点：

　　1) 聚苯板保温效果好，铺设在衬砌体下部，割断下层土的水份补给，可以消减冻深和冻胀，相应减小置换深度。

　　2) 自重轻、强度高、吸水性低、施工方便。

　　缺点：

　　1) 基土水份较大，聚苯板长时间受水的影响，吸水率会逐渐增加，使得导热系数增大，进而降低其保温效果。较好的聚苯乙烯泡沫塑料使用寿命也只有30多年。因此仍然存在发生冻胀破坏的危险。

　　2) 聚苯板为分块铺设，块间缝隙仍为渗水通道，减小了防渗效果。

　　3) 聚苯板为化工材料，并且不可降解，大量使用存在污染环境的风险。

　　3  结论

　　通过以上分析可以看出，根据本工程所处环境的实际情况，经计算后选择抗冻胀材料，符合规范和有关规定，同时对于环境保护、渠道的安全和耐久性是有利的，可取得较好的社会效益和经济效益。