周 明

(沈陽市水利規(guī)劃院，遼寧 沈陽 110015)

引 言

在沈陽灌區(qū)節(jié)水改造工程中，混凝土板防滲襯砌改善了渠道在輸配水過程中的跑、冒、滴、漏問題，大大提高灌溉水的利用率。但是，由于沈陽冬季寒冷，渠床土基存在凍融、凍脹等問題，使不少混凝土板襯砌遭到不同程度的破壞，直接影響了渠道正常使用壽命。對渠道而言，減免渠基土凍脹成為沈陽灌區(qū)節(jié)水改造工程中亟待解決的問題。目前，減免土基凍脹常用方法有換填土法和保溫法兩種。換填土法是在易發(fā)生土基凍脹的范圍內(nèi)用非凍脹性土置換凍脹性土，對此方法的使用范圍和條件掌握不當，置換后材料周圍反濾層失效，在長期運行中受周圍原狀土中細顆?！坝偃倍淖兞酥脫Q基土的不凍脹性，以及置換料的細粒含量未達到標準要求和施工不良等原因，往往達不到置換的目的。因此，由于置換土法對換填土本身質(zhì)量及施工質(zhì)量等要求嚴格，從經(jīng)濟和當?shù)厥┕l件上考慮，沈陽地區(qū)不宜采用此法。

保溫法是在護坡下鋪設保溫材料，減免渠床土基對護坡的凍脹作用。隨著我國人工合成材料的發(fā)展和運用，越來越多北方地區(qū)的水利工程選擇苯板作為保溫材料，并在工程運用中取得很好的效果。選用苯板進行保溫，削減或消除渠床土基凍脹，施工工序簡單，并且避免大斷面開挖和回填，節(jié)約工程投資。因此，沈陽地區(qū)首次渠道護坡防凍設計選擇苯板保溫法。

1 苯板保溫分析和厚度計算

1.1 苯板性能

苯板是一種良好的隔熱保溫材料，具有導熱系數(shù)小、不透水、吸水率低、耐老化、質(zhì)量輕和運輸施工方便等特點，保溫苯板技術(shù)性能指標見表1。

表1 保溫用苯板的技術(shù)性能指標

從已有工程應用來看，苯板的密度一般以不小于30kg/m3為宜。苯板吸水性對其導熱率的影響很大，設計中應采用與最大吸水率相應的導熱率。

1.2 苯板保溫防凍脹原理

地基土發(fā)生凍脹的基本條件是負溫、土質(zhì)和水分，三者缺一不可。經(jīng)科學研究，氣溫下降至零度以下，地下水埋深淺，土壤顆粒細時，渠道基土中水體受凍膨脹，引起基土膨脹，頂托渠道襯砌，破壞渠道。苯板保溫層鋪設在渠道襯砌與基土之間，因其導熱系數(shù)小，可有效阻止渠道基土與大氣間的熱交換，減緩土體中水體受負溫影響，提高了地溫，有效地消除或減輕渠道基土膨脹。

1.3 苯板保溫厚度計算

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設計規(guī)范》(SL23-2006)，渠系工程的設計凍深公式:

式中:Zd—渠系工程的設計凍深(cm);

Zm—歷年最大凍深(cm)，取148cm;

φd—考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù);

φw—地下水影響系數(shù);

φi—典型斷面某部位的日照及遮陰程度修正系數(shù);

α—系數(shù)，可根據(jù)工程所在的氣候區(qū)、計算斷面的軸線走向、斷面形狀及計算點位置;

Zwi—計算點的凍前地下水水位深度(m)，可取計算點地面(開挖面)至當?shù)貎鼋Y(jié)前地下水水位的距離;

Zwo—鄰近氣象臺(站)的凍前地下水水位埋深(m);

β—系數(shù)。

凍脹量計算公式如下:

式中:h—工程地點天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量(cm);

hf—基礎結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量(cm)。

當基礎板厚度不大于0．5m時:

式中:Zf—基礎下的設計凍深(m);

δc—基礎板厚度(m);

δw—底板之上凍層厚度(m)。

《

水工建筑物抗凍設計規(guī)范》(SL211-2006)中，保溫板厚度計算引入熱阻等效原理，保溫板厚度計算公式:

式中:δx、δc—保溫板和底板的厚度(m);

R0—設計熱阻(m2·℃/W);

λx、λc—保溫板和地板的熱導率(w/

m·℃);

φd—日照及遮陰程度影響系數(shù);

K—安全系數(shù)，可取1．1 ～1．15。

2 苯板保溫在渾蒲灌區(qū)一分干渠的應用

渾蒲灌區(qū)一分干渠設計流量7．48m3/s，加大流量9．35 m3/s，渠道斷面為梯形，渠道底寬6m，內(nèi)坡系數(shù)為 1∶1．75，外坡系數(shù)為1∶1．5，采用12cm鋼筋混凝土板，下設2cm砂漿找平層，砂漿下鋪設10cm苯板保溫層。

2.1 一分干渠渠道自然條件

(1)氣候分區(qū)

灌區(qū)多年平均氣溫7．6℃，七月最熱，平均氣溫24．3℃;一月最冷，平均零下12℃。土壤最大凍土深度為1．48m。根據(jù)最冷月平均氣溫確定，灌區(qū)氣候為寒冷。

(2)土質(zhì)條件

渠道沿線以粉質(zhì)黏土為主，弱透水，土中粒徑小于0．075mm的土粒的質(zhì)量為61%，屬于凍脹性土。

(3)地下水位和土壤水

渠道沿線地下水位位于粉質(zhì)黏土中上層，粉質(zhì)黏土層含水率23．3%。

2.2 苯板保溫層設計

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設計規(guī)范》(SL23-2006)和《水工建筑物抗凍設計規(guī)范》(SL211-2006)中公式計算，陰面渠道護坡凍脹量為3．81cm，地基土凍脹級別為Ⅱ級，保溫層厚度為0．09m。考慮苯板受上部鋼筋混凝土板荷載作用，有效厚度會減小，故渠道陽面、地面和陰面均取苯板厚度為10cm。

2.3 苯板鋪設施工

渠道基面壓實平整后鋪設苯板保溫層，苯板上用2cm厚的M7．5砂漿找平，最后支模澆注鋼筋混凝土板護坡。苯板縫間可拼接也可粘接，保證苯板的連續(xù)性，施工中要防止錯位移動。由于苯板本身質(zhì)地輕，表面抗壓強度低，渠道基面不平整容易架空苯板，砂漿層不平整容易使苯板受鋼筋混凝土板壓力不均勻，而使其損壞破裂，影響苯板的保溫效果，因此，施工中要對苯板上下墊層面的平整度嚴格控制。

3 結(jié)語

渠道防凍層的方法選擇，關(guān)系到工程造價和施工難易，必須謹慎選擇。已成功運用苯板保溫的工程為沈陽渾蒲灌區(qū)首次采用苯板保溫法防凍脹設計和施工提供了經(jīng)驗。通過苯板保溫法在渾蒲灌區(qū)一分干渠的應用，總結(jié)實際運用經(jīng)驗，將為這一防凍材料在本地灌區(qū)渠道大面積推廣應用提供借鑒。

［1］SL23-2006．渠系工程抗凍脹設計規(guī)范［S］．北京:中國水利水電出版社，2006．

［2］SL211-2006．水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范［S］．北京:中國水利水電出版社，2006．

［3］曹永智，廖鑒萍．苯板保溫法在防凍脹設計中的應用［J］．中國農(nóng)村水利水電，2003(06)．