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        引黃濟(jì)青輸水渠改造工程設(shè)計(jì)凍深及凍脹量分析

        2018-06-19 02:31:28
        水利技術(shù)監(jiān)督 2018年3期
        關(guān)鍵詞:渠底渠系水渠

        謝 忱

        (山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處,山東 膠州 266300)

        引黃濟(jì)青工程輸水渠起始端為打漁張樞紐沉砂池出口,終止端為棘洪灘水庫(kù),全長(zhǎng)252.5km,自1986年開始建設(shè),1989年11月25日建成通水,建成至今已累計(jì)向青島供水近20億m3,極大地推動(dòng)了供水沿線地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。輸水渠中利用倒虹、渡槽等建筑物輸水長(zhǎng)度約9.08km;利用小清河分洪道輸水長(zhǎng)度約36.5km;利用吳溝河輸長(zhǎng)度約5.8km;另外開挖新建輸水渠長(zhǎng)度約201.2km。引黃濟(jì)青輸水渠建成至今已運(yùn)行近30年,受凍脹作用的影響,處于水位浮動(dòng)范圍內(nèi)的部分渠道發(fā)生襯砌混凝土板坍塌、裂縫嚴(yán)重等病害和破壞[1- 3],造成此類渠道漏水較嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),渠道凍脹破壞的主要受氣溫、土壤類型及其含水量的影響[4- 7]。輸水渠所處地區(qū)為山東膠東地區(qū),冬季時(shí)間長(zhǎng)且氣溫較低,該地區(qū)土壤中粉粒含量較高,易發(fā)生凍脹,由于輸水渠供水時(shí)間主要在冬季,在運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)導(dǎo)致土壤中含水量較高,必然會(huì)導(dǎo)致渠床發(fā)生凍脹,造成渠道襯砌的破壞[8- 10]。

        1 設(shè)計(jì)凍深及凍脹量計(jì)算

        1.1 渠系設(shè)計(jì)凍深計(jì)算

        根據(jù)SL23- 2006渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范,采用壽光市、寒亭區(qū)(1985~2009年)的氣象資料進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,明渠渠道按土質(zhì)、地下水條件和渠道走向基本相同的原則劃分不同的渠段,每個(gè)渠段選取一個(gè)具有代表性的典型斷面,每個(gè)斷面分別選取渠底、坡腳、坡中、坡(地下水位附近)、坡頂8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

        設(shè)計(jì)凍深根據(jù)SL23- 2006確定,各公式如下:

        (1)

        式中,Zd—渠系工程設(shè)計(jì)凍深,cm;Zm—?dú)v年最大凍深,cm,輸水渠各段歷年最大凍深見表1;

        表1 輸水渠沿線各段歷年最大凍深

        表2 渠系典型斷面的工程設(shè)計(jì)凍深計(jì)算結(jié)果

        Ψd—考慮日照及遮陰程度修正系數(shù);Ψw—地下水影響系數(shù);Ψi—典型斷面某部位的日照及遮陰程度修正系數(shù);α—系數(shù);Zwi—計(jì)算點(diǎn)的凍前地下水位深度,m;Zwo—鄰近氣象臺(tái)(站)的凍前地下水位深度,m,當(dāng)黏土、粉土Zwo>3.0m,細(xì)粒土質(zhì)砂Zwo>2.5m,含細(xì)粒土砂Zwo>2.0m時(shí),可取黏土、粉土Zwo=3.0m,細(xì)粒土質(zhì)砂Zwo=2.5m,含細(xì)粒土砂Zwo=2.0m;β—系數(shù)。

        根據(jù)規(guī)范規(guī)定,壽光選取1985年最大凍深,即Zm取值為54cm;寒亭選取2003年最大凍深,即Zm取值為37cm。選取明渠樁號(hào)66+752、83+667、96+729、105+682、125+701、152+266的典型斷面進(jìn)行計(jì)算,渠系的工程設(shè)計(jì)凍深見表2。

        1.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深的確定

        根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》確定,各公式如下:

        (2)

        式中,Ri—底板熱阻,m2·℃/W;Ro—設(shè)計(jì)熱阻,m2·℃/W;lo—凍結(jié)指數(shù),℃·d,輸水渠各段凍結(jié)指數(shù)見表3;Zd—工程地點(diǎn)的天然設(shè)計(jì)凍深,cm;Zf—基礎(chǔ)下的設(shè)計(jì)凍深,cm;δc—基礎(chǔ)板厚度,m;δw—底板之上冰層厚度,m;λc—底板(墻)的熱導(dǎo)率,W/(m·℃)。

        選取明渠樁號(hào)66+752、83+667、96+729、105+682、125+701、152+266的典型斷面進(jìn)行計(jì)算,每個(gè)渠段基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深見表4。

        1.3 凍脹量的計(jì)算

        根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》確定,公式如下:

        表3 輸水渠沿線各段歷年凍結(jié)指數(shù) 單位:℃·d

        表4 渠系典型斷面的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深計(jì)算結(jié)果

        (3)

        式中,hf—基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量,cm;

        圖1 渠道保溫措施及襯砌型式

        h—工程地點(diǎn)天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量,cm;其他參數(shù)同公式(1)、公式(2)。

        因引黃濟(jì)青輸水渠道沒有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)條件,其凍脹量h可由Zw的情況在規(guī)范中查的,當(dāng)Zw超過(guò)2.0m時(shí),按2.0m取值。根據(jù)輸水渠走向、地下水埋深、渠床土質(zhì)等,分別對(duì)輸水渠典型斷面進(jìn)行計(jì)算,凍脹量計(jì)算結(jié)果見表5。

        表5 渠系典型斷面的凍脹量計(jì)算結(jié)果

        規(guī)范中渠道斷面為梯形時(shí),其混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹允許法向位移值規(guī)定為5~10mm。由計(jì)算結(jié)果可知,計(jì)算斷面陰坡凍脹量為10~141mm,陽(yáng)坡凍脹量為7~94mm,渠底為11~125mm,地下水位處坡面為94~174mm,可以判別地基土的凍脹級(jí)別為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí);根據(jù)計(jì)算結(jié)果、渠坡及渠底凍脹量均大于規(guī)范規(guī)定,需對(duì)渠坡和渠底采取保溫措施。因此,本次輸水渠改造工程的渠道防凍脹設(shè)計(jì)采用全斷面鋪設(shè)保溫板和復(fù)合土工膜,其上鋪6cm厚預(yù)制混凝土板;渠坡采用保溫板和6cm厚預(yù)制混凝土板防護(hù),渠底采用0.5m厚當(dāng)?shù)赝翂簩?shí)這兩種護(hù)砌型式,如圖1所示。

        2 結(jié)語(yǔ)

        以渠道沿線的土壤類型、渠道走向及其護(hù)砌型式,選取了有代表性的典型斷面,分析計(jì)算典型斷面上各部位的凍脹量,本次選取壽光、寒亭兩段渠道進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,與引黃濟(jì)青工程原輸水渠襯砌防凍脹設(shè)計(jì)進(jìn)行比較后,確定采取防凍保溫的措施。本次輸水渠改造工程的渠道防凍脹設(shè)計(jì)采用全斷面鋪設(shè)保溫板和復(fù)合土工膜,其上鋪6cm厚預(yù)制混凝土板;渠坡采用保溫板和6cm厚預(yù)制混凝土板防護(hù),渠底采用0.5m厚當(dāng)?shù)赝翂簩?shí)這兩種護(hù)砌型式。

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