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，全長252.5km，自1986年開始建設，1989年11月25日建成通水，建成至今已累計向青島供水近20億m3，極大地推動了供水沿線地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展。輸水渠中利用倒虹、渡槽等建筑物輸水長度約9.08km；利用小清河分洪道輸水長度約36.5km；利用吳溝河輸長度約5.8km；另外開挖新建輸水渠長度約201.2km。引黃濟青輸水渠建成至今已運行近30年，受凍脹作用的影響，處于水位浮動范圍內(nèi)的部分渠道發(fā)生襯砌混凝土板坍塌、裂縫嚴重等病害和破壞[1- 3]，造成此類渠道漏水較嚴重。國內(nèi)外學者研究發(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)，冬季時間長且氣溫較低，該地區(qū)土壤中粉粒含量較高，易發(fā)生凍脹，由于輸水渠供水時間主要在冬季，在運行過程中，會導致土壤中含水量較高，必然會導致渠床發(fā)生凍脹，造成渠道襯砌的破壞[8- 10]。

1 設計凍深及凍脹量計算

1.1 渠系設計凍深計算

根據(jù)SL23- 2006渠系工程抗凍脹設計規(guī)范，采用壽光市、寒亭區(qū)(1985～2009年)的氣象資料進行復核計算，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，每個渠段選取一個具有代表性的典型斷面，每個斷面分別選取渠底、坡腳、坡中、坡(地下水位附近)、坡頂8個點進行計算。

設計凍深根據(jù)SL23- 2006確定，各公式如下：

(1)

式中，Zd—渠系工程設計凍深，cm；Zm—歷年最大凍深，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計凍深計算結(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—計算點的凍前地下水位深度，m；Zwo—鄰近氣象臺(站)的凍前地下水位深度，m，當黏土、粉土Zwo>3.0m，細粒土質(zhì)砂Zwo>2.5m，含細粒土砂Zwo>2.0m時，可取黏土、粉土Zwo=3.0m，細粒土質(zhì)砂Zwo=2.5m，含細粒土砂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66+752、83+667、96+729、105+682、125+701、152+266的典型斷面進行計算，渠系的工程設計凍深見表2。

1.2 基礎設計凍深的確定

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設計規(guī)范》確定，各公式如下：

(2)

式中，Ri—底板熱阻，m2·℃/W；Ro—設計熱阻，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—工程地點的天然設計凍深，cm；Zf—基礎下的設計凍深，cm；δc—基礎板厚度，m；δw—底板之上冰層厚度，m；λc—底板(墻)的熱導率，W/(m·℃)。

選取明渠樁號66+752、83+667、96+729、105+682、125+701、152+266的典型斷面進行計算，每個渠段基礎設計凍深見表4。

1.3 凍脹量的計算

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設計規(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設計凍深計算結(jié)果

(3)

式中，hf—基礎結(jié)構下凍土層產(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)。

因引黃濟青輸水渠道沒有現(xiàn)場試驗觀測條件，其凍脹量h可由Zw的情況在規(guī)范中查的，當Zw超過2.0m時，按2.0m取值。根據(jù)輸水渠走向、地下水埋深、渠床土質(zhì)等，分別對輸水渠典型斷面進行計算，凍脹量計算結(jié)果見表5。

表5 渠系典型斷面的凍脹量計算結(jié)果

規(guī)范中渠道斷面為梯形時，其混凝土襯砌結(jié)構凍脹允許法向位移值規(guī)定為5～10mm。由計算結(jié)果可知，計算斷面陰坡凍脹量為10～141mm，陽坡凍脹量為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別為Ⅱ級和Ⅲ級；根據(jù)計算結(jié)果、渠坡及渠底凍脹量均大于規(guī)范規(guī)定，需對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計采用全斷面鋪設保溫板和復合土工膜，其上鋪6cm厚預制混凝土板；渠坡采用保溫板和6cm厚預制混凝土板防護，渠底采用0.5m厚當?shù)赝翂簩嵾@兩種護砌型式，如圖1所示。

2 結(jié)語

以渠道沿線的土壤類型、渠道走向及其護砌型式，選取了有代表性的典型斷面，分析計算典型斷面上各部位的凍脹量，本次選取壽光、寒亭兩段渠道進行復核計算，與引黃濟青工程原輸水渠襯砌防凍脹設計進行比較后，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計采用全斷面鋪設保溫板和復合土工膜，其上鋪6cm厚預制混凝土板；渠坡采用保溫板和6cm厚預制混凝土板防護，渠底采用0.5m厚當?shù)赝翂簩嵾@兩種護砌型式。

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