張 瀟

南水北調(diào)石津干渠工程渠道防凍脹設(shè)計

張 瀟

（保定市西大洋水庫管理處，河北保定072350）

石津干渠工程是河北省南水北調(diào)配套工程跨市干渠工程之一，地處淺層季節(jié)凍土區(qū)，冬季基土凍脹對渠道混凝土襯砌有很大的破壞作用。防凍脹設(shè)計既要保證工程安全，又要盡量減少工程造價，達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的目的。計算了渠道護(hù)砌下的凍脹量，并提出防凍脹措施：在地下水位高于渠道設(shè)計渠底渠段及河灘地段，采用置換砂礫料措施防凍，經(jīng)計算置換厚度為0.3～0.4 m，其它部位以及砂礫層組成按排水要求設(shè)計；地下水位較低渠段，采取保溫板措施防凍，東西走向渠道保溫板厚度陰坡0.06 m、陽坡0.04 m，其它走向渠道渠坡保溫板厚度為0.06 m。

南水北調(diào)；石津干渠；防凍脹

石津干渠工程是河北省南水北調(diào)配套工程跨市干渠工程之一，主要供水對象為石家莊市、衡水市、滄州市以及干渠沿線和大浪淀水庫、衡水湖周邊縣（市）。石津干渠工程渠首為南水北調(diào)中線總干渠的田莊分水口，終點(diǎn)為衡水市的衡水湖和滄州市的大浪淀水庫。該工程引水渠道穿過河北省最大的灌區(qū)——石津灌區(qū)，并與灌溉渠道結(jié)合。石津干渠供水系統(tǒng)多年平均引江供水量約10.5億m3，其中石家莊市4.16億m3、衡水市3.1億m3、滄州市3.24億m3。

1 工程概況

1.1 水文氣象

石津干渠配套工程穿越海河流域的子牙河和黑龍港兩大水系，共涉及較大河流10條，其中行洪河道3條，分別為太平河、滏陽新河、南運(yùn)河；排瀝河道7條，分別為邵村排干（并行）、龍治河、滏陽河、滏東排河、老鹽河、清涼江、江江河等。并與多條小型河道和灌溉渠道交叉。

石津干渠所在區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降水量470～558 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為941～1 339 mm。干渠沿線地區(qū)多年平均氣溫12.3～13℃，月平均最低氣溫出現(xiàn)在1月，為-4.2～-2.7℃。沿線地區(qū)春夏季多南風(fēng)和西南風(fēng)，秋冬季多北風(fēng)，多年平均風(fēng)速1.8～3.4 m/s，最大風(fēng)速16～20 m/s。最早地面穩(wěn)定凍結(jié)日期在11月 16—30日，最晚開始解凍日期在2月22日—3月15日。歷年最大凍土深0.45～0.61 m。

1.2 工程地質(zhì)

石津干渠沿線在地貌類型上可分為兩部分，即西部（晉州以西）屬于太行山山前傾斜平原，地勢西高東低；東部（晉州以東）屬于冀中平原區(qū)，地形總體比較平坦開闊。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及勘察成果，工程區(qū)的地層為第四系全新統(tǒng)地層，大部分屬于洪積及沖積成因，局部夾有湖沼積成因的地層。分布的巖性主要有壤土、砂壤土、黏土、細(xì)砂、中砂及粗砂等。

石津干渠沿線地震動峰值加速度除南皮縣為0.05 g、相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度外，其余各縣市均為0.10 g、相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度。

工程區(qū)地下水類型為第四系孔隙潛水，由西向東埋深逐漸變淺，西部地下水埋深大于45 m，東部埋深2.5 m左右。

2 渠道防凍脹設(shè)計

渠道地處淺層季節(jié)凍土區(qū)，冬季基土凍脹對渠道混凝土襯砌有很大的破壞作用。渠道防凍脹設(shè)計按《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL23—2006）要求，對于標(biāo)準(zhǔn)凍深大于0.1 m渠段需進(jìn)行渠道的設(shè)計凍深和凍脹量計算，當(dāng)渠道的設(shè)計凍脹量大于0.01 m時采取抗凍脹措施。

2.1 設(shè)計分段

（1）氣候分段。根據(jù)氣象資料分析，選擇了石家莊、藁城、晉州、辛集、武強(qiáng)、深縣、衡水、冀縣8個氣象站作為代表站，再按緯度坐標(biāo)將兩相鄰站渠段分為相等3段，相鄰站的渠段為該站氣候控制段，中間段為兩站氣候控制段。不同渠段取不同氣象站的多年最大凍深平均值和多年平均風(fēng)速，見表1。

表1 各氣象站多年平均凍結(jié)指數(shù)、氣溫及最大凍深、平均風(fēng)速

（2）渠道防凍設(shè)計分段。根據(jù)渠道沿線氣候、地質(zhì)、地下水位、襯砌形式、渠道走向及渠道挖填情況，將總干渠劃分為若干計算段，逐段進(jìn)行防凍計算。

2.2 設(shè)計方案

防凍脹設(shè)計既要保證工程安全，又要盡量減少工程造價，達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的目的，為此對防凍脹設(shè)計考慮3個方案，計算工程量投資，優(yōu)選最佳方案。其中，方案1：只在渠坡水位變幅區(qū)采取防凍措施；方案2：只在渠坡按防凍脹要求采取防凍措施；方案3：全斷面采取防凍措施。

2.3 凍脹量計算步驟

根據(jù)SL23—2006進(jìn)行凍脹量的計算。冬季最易破壞的部位是最低蓄水保溫水位至設(shè)計水位處，按3個方案不同情況分別選取渠坡設(shè)計水位（陰坡、陽坡，下同）、渠坡底部、渠底中心作為設(shè)計凍脹量的計算點(diǎn)。

2.3.1 設(shè)計凍深計算

設(shè)計凍深計算公式為：

式中：zd為工程地點(diǎn)的設(shè)計凍深(m)；zm為歷年最大凍深(m)；?w為地下水影響系數(shù)；?d為考慮日照及遮陰程度影響系數(shù)，計算公式為：

式中：?i為典型斷面日照及遮陰程度修正系數(shù)；α為與氣候區(qū)有關(guān)的系數(shù)。

2.3.2 基礎(chǔ)設(shè)計凍深計算

由于混凝土襯砌厚度小于0.5 m，因此基礎(chǔ)設(shè)計凍深計算公式為：

式中：zf為基礎(chǔ)設(shè)計凍深（m）；δc為基礎(chǔ)板厚度（m）；δw為底板之上冰層的厚度（m）；其余變量含義同上。

2.3.3 凍脹量計算

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量計算公式為：

式中：hf為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量（m）；h為天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量（m）；其余變量含義同上。計算成果，見表2。

表2 護(hù)砌下凍脹量計算成果

由表2可知，無論陰坡、陽坡還是渠底均需采取防凍脹措施。另外根據(jù)42 a長系列來水過程分析，有3 a冬季存在斷水情況，采取給渠道臨時充水保溫措施（含完建期）。在渠道檢修期采用臨時分段充水保溫。基于上述分析，渠道邊坡設(shè)置保溫措施，渠底不再設(shè)置保溫措施，但應(yīng)加強(qiáng)渠道防凍脹監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

2.4 防凍脹措施

當(dāng)渠道設(shè)計最大凍脹量超過混凝土襯砌板允許位移值時，需采取防凍脹措施，一般包括保溫和置換2種措施。在地下水位高于渠道設(shè)計渠底渠段及河灘地段，采用置換砂礫料措施防凍，并與排水結(jié)合考慮，即在防凍部位砂礫層厚度應(yīng)滿足防凍要求，其它部位以及砂礫層組成按排水要求設(shè)計；地下水位較低渠段，采取保溫板措施防凍。

2.4.1 置換措施設(shè)計

置換厚度計算公式為：

式中：Hn為置換厚度（m)；Hd為設(shè)計凍深（m）；δ0為襯砌板厚度（m）；ε為置換比，根據(jù)規(guī)范取值，詳見表3。

表3 渠床置換比ε值

經(jīng)計算，置換厚度為0.3～0.4 m。

2.4.2 保溫措施設(shè)計

聚苯乙烯泡沫板具有導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低、有較好的抗壓縮性能等特點(diǎn)，經(jīng)國內(nèi)多處水利工程應(yīng)用，保溫效果良好。因此，本段總干渠采用聚苯乙烯泡沫板作為保溫材料。

保溫板厚度計算公式為：

式中：δx為保溫層厚度（m）；R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計熱阻值(m2·℃/W)；αω為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)；δc為基礎(chǔ)材料厚度(m)；λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·℃）]；λc為基礎(chǔ)材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·℃）]，根據(jù)工程實(shí)際情況確定。

選取保溫板自然狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)為0.039 W/（m·℃）、保溫板吸水率為2%，查表得導(dǎo)熱修正系數(shù)為1.10，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)取值為1.50 W/（m·℃），工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計熱阻值為1.39 m2·℃/W，混凝土板厚度取0.10 m。經(jīng)計算，得保溫板厚度為0.04～0.06 m。

通過投資比較，借鑒南水北調(diào)工程施工經(jīng)驗(yàn)，推薦采用保溫板防凍脹措施。東西走向渠道保溫板厚度陰坡為0.06 m，陽坡為0.04 m；其它走向渠道渠坡為0.06 m。

3 結(jié)語

石津干渠工程渠道地處淺層季節(jié)凍土區(qū)，冬季基土凍脹對渠道混凝土襯砌有很大的破壞作用。影響渠道凍脹的因素很多，通常有保溫材料、防滲效果、渠基土壤特性、地下水位情況、排水情況和施工質(zhì)量等。當(dāng)渠道設(shè)計最大凍脹量超過混凝土襯砌板允許位移值時，需采取防凍措施，一般包括保溫和置換2種措施。在地下水位高于渠道設(shè)計渠底渠段及河灘地段，采用置換砂礫料措施防凍，并與排水結(jié)合考慮，即在防凍部位砂礫層厚度應(yīng)滿足防凍要求，經(jīng)計算置換厚度為0.3～0.4 m，其它部位以及砂礫層組成按排水要求設(shè)計；地下水位較低渠段采取保溫板措施防凍，東西走向渠道保溫板厚度陰坡為0.06 m、陽坡為0.04 m，其它走向渠道渠坡保溫板厚度為0.06 m。

TV222；TV672

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1004-7328（2017）02-0055-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.017

2016—12—20

張瀟（1981—），男，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計施工及運(yùn)行管理工作。