何 萍

(襄陽(yáng)市禹德建筑工程質(zhì)量檢測(cè)有限責(zé)公司，湖北 襄陽(yáng) 441021)

1 工程概況

引丹灌區(qū)位于襄陽(yáng)市的老河口市、襄州區(qū)和樊城區(qū)三市(區(qū))境內(nèi)，是丹江口水庫(kù)五大效益之一，也是襄陽(yáng)市最大的引水工程和灌區(qū)。位于漢江丹江口水利樞紐的東北部，地處湖北省老河口市與河南省淅川縣、鄧縣交界處，距丹江口大壩約35 km，距老河口市約35 km。本區(qū)年平均氣溫15.3℃，極端最高溫度42.5℃，極端最低溫度-17.7℃。年均日照總歷時(shí)為1900 h～2100 h，相對(duì)濕度76%，無(wú)霜期236 d，初霜出現(xiàn)在11月中旬，終霜發(fā)生在3月下旬。總體上本區(qū)氣候溫和，無(wú)霜期長(zhǎng)，雨熱同季。灌區(qū)內(nèi)地面高程一般在170 m～200 m，山頂較平坦，為該區(qū)早期夷平面，地面相對(duì)高差不大，沖溝中等發(fā)育，溝深10 m～50 m。灌區(qū)及渠道工程總體位于盆地邊緣及中西部，區(qū)內(nèi)崗谷相間，崗谷走向大體有南北向趨勢(shì)，且地形起伏差不大，總體上西高東低，北高南低。

灌區(qū)干渠渠道為弧形坡腳梯形渠道，底寬4.0 m，襯砌高度為2.0 m，內(nèi)邊坡比1∶2，渠底采用10 cm厚C20現(xiàn)澆混凝土襯砌，渠道結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 引丹灌區(qū)干渠弧形坡腳梯形渠道示意圖

2 混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)

2.1 墊層材料的選擇

結(jié)合墊層抗凍脹的原理和機(jī)制，抗凍脹墊層主要發(fā)揮阻止毛管水上升的作用，所以，為增強(qiáng)墊層抗凍脹性能，必須將毛管水上升的高度嚴(yán)格控制在墊層和下層土交界面以下。在基質(zhì)勢(shì)能的影響下，均質(zhì)土體中的毛管水克服重力勢(shì)能后向上運(yùn)移，因死孔隙的存在，水勢(shì)能梯度呈不斷減小趨勢(shì)，且在任一點(diǎn)處基質(zhì)勢(shì)能和重力勢(shì)能基本等值。增加抗凍脹墊層后，毛管水便相當(dāng)于在層狀土內(nèi)運(yùn)移，當(dāng)其運(yùn)移至土體～墊層交接面，則會(huì)因細(xì)粒土比粗粒土具有更大的吸力而使水分滯留在交接面，直至細(xì)粒土的吸力低于粗粒土，水分才會(huì)被粗粒土吸收后繼續(xù)上升。這一過(guò)程會(huì)在交接面處水分的吸力與位能相等時(shí)達(dá)到平衡，此時(shí)土體不再與外界發(fā)生能量交換，從數(shù)值上來(lái)看：

Smin=z0

(1)

其中：Smin為交接面處的吸力最小值，Pa；z0為交接面與地下水位的距離，m，z0比基土內(nèi)毛管上升高度的最大值小。

粗粒土對(duì)進(jìn)水的吸力主要受有效粒徑和不均勻系數(shù)等的影響，也即S進(jìn)=fld10,Cu，由于砂土進(jìn)水吸力與其有效粒徑和不均勻系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)在0.94及以上，并結(jié)合S進(jìn)≤Smin的粗粒土阻止毛管水上升的條件，可得出砂土阻止毛管水上升應(yīng)具備的條件，表示如下：

d10≥14.063z0-1.462；Cu≤0.068z01.261

(2)

式中：d10為粗粒土有效粒徑，mm；Cu為粗粒土不均勻系數(shù)。

根據(jù)以上分析，在進(jìn)行混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)及材料選擇前，必須先確定灌區(qū)地下水位，再根據(jù)當(dāng)?shù)靥烊唤ㄖ牧线M(jìn)行顆粒級(jí)配分析，并根據(jù)式(2)作出判斷，如果符合要求，則應(yīng)將該天然建筑材料用作墊層材料，并進(jìn)一步計(jì)算抗凍脹墊層鋪設(shè)厚度等參數(shù)，再次通過(guò)式(2)進(jìn)行墊層下邊界與地下水位之間距離的校核，如果滿足，則確定為墊層材料，如不滿足，則應(yīng)重新選材。

結(jié)合類(lèi)似工程實(shí)踐，本文以中砂為引丹灌區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層，材料屬性見(jiàn)表1。墊層材料的有效粒徑d60=0.4 mm，d30=0.325 mm，d10=0.233 mm，不均勻系數(shù)Cu=1.23，灌區(qū)內(nèi)地下水位埋深為0.95 m，由式(2)可以判斷出，中砂符合灌區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層材料的要求，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范，中砂中粒徑d<0.075 mm的材料粒度成分含量為2.104%，比規(guī)范所規(guī)定的10%的臨界值小，所以，引丹灌區(qū)中砂屬于非凍脹性土，符合抗凍脹墊層材料性能要求。

表1 混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層材料(中砂)屬性

2.2 抗凍脹墊層厚度計(jì)算

2.2.1 計(jì)算模型

在分析多層材料熱阻等效方程的基礎(chǔ)上可得出，未鋪設(shè)襯砌板及墊層的凍脹土的總熱阻為襯砌板、墊層和凍脹土層熱阻之和，公式表示如下：

(3)

式中：Hd為混凝土襯砌渠道設(shè)計(jì)凍深，m；λf為未鋪設(shè)襯砌板及墊層時(shí)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)；Hc為襯砌結(jié)構(gòu)厚度，m；λc為襯砌結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，Hs為抗凍脹墊層厚度，m；λs為抗凍脹墊層導(dǎo)熱系數(shù)；Ht為抗凍脹墊層以下凍土層厚度，m；λt為抗凍脹墊層以下凍土層導(dǎo)熱系數(shù)。

在抗凍脹墊層位移較小的情況下，灌區(qū)混凝土襯砌渠道基土融沉后不產(chǎn)生殘余位移和累積凍脹，為增強(qiáng)對(duì)墊層下凍脹層融沉的利用并降低工程造價(jià)，本文在抗凍脹墊層設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮墊層材料允許凍脹位移hσ?？箖雒泬|層鋪設(shè)后渠道凍脹量主要表現(xiàn)為墊層下凍脹層的凍脹量，所以，應(yīng)當(dāng)根據(jù)墊層材料允許凍脹位移hσ進(jìn)行墊層以下凍脹層厚度Ht的計(jì)算，公式如下：

(4)

式中：αP為荷載修正系數(shù)，且αP=e-βΡ，β是與凍脹土干密度ρd相關(guān)的系數(shù)，其相關(guān)關(guān)系為β=0.0346e-6.3(ρd-1.35)；P為渠道邊坡、渠底荷載強(qiáng)度，kPa，對(duì)于弧形、梯形等寬淺式渠道，其荷載強(qiáng)度為襯砌結(jié)構(gòu)和抗凍脹墊層結(jié)構(gòu)自重；f為凍脹強(qiáng)度均值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時(shí)，f=αe-bz，α為溫度相關(guān)參數(shù)，b為土質(zhì)相關(guān)參數(shù)，z為地下水位實(shí)際埋深，m。

將式(4)代入式(3)可得出：

(5)

式(5)即為地下水埋深較淺時(shí)抗凍脹墊層厚度的計(jì)算公式，引丹灌區(qū)地下水位、土體土質(zhì)、氣候條件等基本確定，所以式(5)中的相關(guān)參數(shù)取值也基本確定，渠道相關(guān)參數(shù)確定后式(5)就成為包含1個(gè)未知數(shù)的灌區(qū)渠道抗凍脹墊層厚度的方程。

2.2.2 相關(guān)參數(shù)的確定

(1)墊層導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)引丹灌區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層持水量和干密度最大值以及相關(guān)規(guī)范[1]確定出砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)為3.0 W/(m·℃)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]中通過(guò)內(nèi)插法的計(jì)算結(jié)果，引丹灌區(qū)砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)為1.98 W/(m·℃)，取兩者的算術(shù)平均數(shù)，則引丹灌區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層導(dǎo)熱系數(shù)為2.49 W/(m·℃)。

(2)凍脹層導(dǎo)熱系數(shù)

為將墊層處理后的渠道與原渠道相比并凸顯墊層的抗凍脹效果，采用原渠道基土干密度值1.45 g/cm3，凍脹層飽和含水率為32%，則根據(jù)規(guī)范所提供的參考值[3]，進(jìn)行引丹灌區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層鋪設(shè)前后凍脹導(dǎo)熱系數(shù)的確定，原渠道陰坡導(dǎo)熱系數(shù)1.267 W/(m·℃)，原渠道陽(yáng)坡導(dǎo)熱系數(shù)1.222 W/(m·℃)，原渠道渠底1.501 W/(m·℃)，鋪設(shè)墊層的凍脹層導(dǎo)熱系數(shù)為1.878 W/(m·℃)。

(3)襯砌渠道設(shè)計(jì)凍深修訂

引丹灌區(qū)混凝土襯砌渠道實(shí)際凍深即為混凝土板鋪設(shè)后的凍深，所以通過(guò)熱阻等效方程確定設(shè)計(jì)凍深完全適用，公式為：

(6)

式中：λf為混凝土襯砌渠道不同部位基土的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；H為實(shí)際凍深，m；其余參數(shù)含義同前。根據(jù)表2所列示的本灌區(qū)襯砌渠道實(shí)際凍深和式(6)計(jì)算設(shè)計(jì)凍深，結(jié)果為渠道陽(yáng)坡0.27 m，陰坡0.73 cm，渠底0.52 cm。

表2 引丹灌區(qū)襯砌渠道基本情況

(4)凍脹強(qiáng)度

根據(jù)引丹灌區(qū)襯砌渠道實(shí)際地下水位和渠基土情況進(jìn)行地下水凍脹影響臨界程度的分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及類(lèi)似工程地下水位埋深實(shí)際可知，本灌區(qū)地下水位埋深較淺，則采用式f=ae-bz計(jì)算凍脹強(qiáng)度，采用地下水位0.98 m的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值后確定出本灌區(qū)襯砌渠道與為溫度相關(guān)參數(shù)α=25.0，與土質(zhì)相關(guān)參數(shù)b=1.1，可求得凍脹強(qiáng)度f(wàn)為9.078。

凍脹層上覆蓋層的荷載是墊層自重與襯砌板自重之和，由于混凝土結(jié)構(gòu)密度為2.41 g/cm3，墊層結(jié)構(gòu)密度為1.83 g/cm3，所以本工程荷載修正系數(shù)αP取1.42，墊層材料允許凍脹位移hσ取1 cm，則代入式(5)可求出各部分墊層的厚度值，渠道陰坡墊層厚度為52.10 cm，陽(yáng)坡為-0.01 cm，渠底為20.79 cm。

3 抗凍脹效果分析

根據(jù)渠道凍脹量曲線(圖2)可知，引丹灌區(qū)混凝土襯砌渠道最大凍脹量位于陰坡坡頂和坡腳位置，主要原因在于陰坡坡頂和坡腳遭受雙向凍脹作用且表面溫度極低。鋪設(shè)抗凍脹墊層后凍脹量主要由墊層以下的凍脹層引起，且墊層渠道所模擬出的凍脹量比原渠道凍脹量模擬值和實(shí)際值低，可削弱至少80%的凍脹量。允許位移量設(shè)計(jì)值為1.0 cm，陽(yáng)坡實(shí)測(cè)位移值0.6 cm，所以陽(yáng)坡未鋪設(shè)抗凍脹墊層。陰坡坡頂和坡腳處實(shí)際凍脹具有雙向性，部分變形和位移由凍脹層以下的土體承受，鋪設(shè)抗凍脹墊層后的實(shí)際凍脹量比設(shè)計(jì)凍脹量小，所以本灌區(qū)渠道墊層厚度設(shè)計(jì)偏安全，設(shè)計(jì)結(jié)果和工程實(shí)際吻合度高。

圖2 渠道凍脹量曲線

還應(yīng)對(duì)渠道鋪設(shè)抗凍脹墊層后襯砌板結(jié)構(gòu)的法向凍脹力和切向凍脹力進(jìn)行分析。切向凍脹力主要影響襯砌板結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力分布，根據(jù)圖3可以看出，本灌區(qū)渠道鋪設(shè)抗凍脹墊層前陰坡切向凍脹力最大，陽(yáng)坡此之，渠基和渠底最??；鋪設(shè)抗凍脹墊層后，襯砌結(jié)構(gòu)所承受的切向凍脹力大幅削弱，且更加均勻，這也表明，抗凍脹墊層的鋪設(shè)有效改善了渠道受力結(jié)構(gòu)和性能，墊層鋪設(shè)后，陰坡、陽(yáng)坡和渠底的切向凍脹力削弱程度分別為91.4%、85%和68.5%。

圖3 襯砌渠道切向凍脹力比較

法向凍脹力是引發(fā)渠道凍害的主要原因，由圖4可知，鋪設(shè)抗凍脹墊層后，渠道陽(yáng)坡、陰坡和渠底法向凍脹力大大削弱，且變動(dòng)趨勢(shì)更加平緩，陽(yáng)坡、陰坡和渠底法向凍脹力被削減的程度分別達(dá)73%、64%和95%。

圖4 襯砌渠道法向凍脹力比較

4 結(jié)論

本文對(duì)引丹灌區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)主要得出如下結(jié)論：抗凍脹墊層因能阻止毛管水上升而具有抗凍脹性能，所以墊層材料的選擇應(yīng)根據(jù)工程區(qū)地下水位并結(jié)合墊層材料顆粒級(jí)配做出科學(xué)選擇；通過(guò)本文所給出的方法進(jìn)行了引丹灌區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了渠道鋪設(shè)抗凍脹墊層后抗凍脹效果的分析，結(jié)果顯示，鋪設(shè)抗凍脹墊層后對(duì)渠道陰坡凍脹量的削減效果十分明顯，并使渠道陰坡、渠底和陽(yáng)坡處的凍脹量分布更為均勻，使襯砌結(jié)構(gòu)受凍脹力影響狀況明顯改善。