渠道衬砌工程采用保温与换填防冻措施的设计.pdf

第4卷 第4期防 渗 技 术Vol . 4 No. 41998年 12月Techn ique of Seepage PreventionDec. 1998渠道防渗渠道衬砌工程采用保温与换填防冻措施的设计任之忠 (水利部西北水利科学研究所 712100)摘 要 在简述地基土冻胀性的基础上,分述了采用保温法和换填法来防治渠道衬砌工程的冻害的设计方法和需要进一步研究的问题可供工程设计人员参考关键词 基土冻胀性 冻胀量 冻胀破坏 保温措施 换填措施0 前 言我国北方地区(确切的说在北纬33° 到50° 之间)由于气候寒冷,所以渠道工程普遍 存在一个冻胀破坏现象,即所谓冻害问题 产 生冻害的条件虽然有气温、 土壤和水分这三 个缺一不可的要素,但气温为主导要素 没有 气温这一先决条件,土壤和水分再具有能产 生冻胀的有利条件也不会出现冻害由于有冻害问题,故设计渠道防渗工程时,必须相应 的考虑防冻措施 没有可靠的防冻措施,工程 因冻胀而遭受了裂缝、 变形,甚至滑塌等破坏 后,防渗效果也不会达到预期目的,工程寿命 也将大大缩短为了总结建国后在渠道工程建设领域中 所作的大量工作和经验,并为渠道工程的设 计提供依据,达到节水增效的目的。

1991年 相继出版了 《渠道防渗工程技术规范》(SL18-91)和 《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23- 91) (简称 “冻规”) 这两部规范较系统全面 的规范了渠道工程在防渗和抗冻设计中的技 术要求,使我国渠道工程的防渗和抗冻设计首次达到了规范化的要求,其意义和作用是 很大的 规范对渠道防冻害的保温和换填措施已 作了原则的规定,本文试图就个人的体会和 认识将其具体化,以求磋商1 地基土的冻胀性在寒冷气温条件下,当地基土的粒径小 于0. 05mm土粒含量超过土样总重的6%以 上时,这种土就属于冻长性土 在冻胀性地基 土中由于地下水或其他外来水的补给,使土壤的含水量超过塑限含水量时,土壤就会产 生冻胀 气温愈寒冷, 0. 05mm土粒和土壤中 水分含量愈多,冻胀愈严重 表1为规范按冻 胀量的大小将地基土的冻胀性划分为五类表1 地基土的冻胀性工程分类冻胀性类别判 定 标 准?˚¸?˝冻胀量h(cm)h≤22 22在气温和土质一定的条件下,地下水位 的高低不仅决定着冻胀量的大小,而且还决 定着地基土主冻胀带的位置有关资料[3]介绍,当地下水位为浅埋时(即开敞系统),冻结 过程中由于地下水能源源不断地补充给冻结 锋面,不但冻胀量很大,而且冻胀率沿垂深的分布为递增型(见图1. a)。

即主冻胀带集中 在冻深的中下部 当地下水位为深埋时(即封 闭系统),地下水不会或部分地补给冻结锋面,所以冻胀量较小,冻胀率沿垂深的分布为 衰减型(见图1. b)即主冻胀带分布在冻深 的中上部图1 地基土冻胀率分布示意图另外,冻胀率与冻结速率的关系也很密切 当气温在一个冬季缓慢地下降到最低值, 即冻结速率很小时,土壤冻深的发展是个缓 慢的过程 此时,土壤水分因源源不断地向上 迁移和聚集,以致形成冰夹层或冰透镜体而 产生很大的冻胀量当气温突然下降到最低值,即冻结速率很大时,土壤冻深很快发展到 较大值,由于土壤水分来不及大量迁移,因此 冻胀量就很小 大量研究证实,影响土壤冻胀的因素很多,既有自然因素,又有人为因素,既有物理因素,又有化学因素,是一门复杂的 科学 为了保证渠道衬砌工程的安全性,规范[1]规定设计衬砌混凝土渠道的冻胀变形hDm值,应小于允许的冻胀量[h]值即hDm≤[h](1)不同材料防渗工程的允许冻胀量如表2 所列 表2 梯形断面渠道不同材料防渗工程允许冻胀量防渗材料类别砖石沥青混凝土混凝土允许冻胀量[h]、cm1. 0～2. 03. 0～5. 00. 5～2. 0注:表中同类防渗材料,渠道的断面尺寸或防渗板尺寸大时取小值。

当渠道防渗工程的冻胀变形大于允许值 时,必须采取可靠的防冻措施,才能确保防渗 工程的安全和防渗效果的发挥2 保温防冻措施保温法是规范规定的在强冻胀地区的大·01·防渗技术第4卷型渠道上采用的防冻措施笔者认为只要条 件具备,在冻胀地区的大中小型渠道上皆可 采用 常用的保温材料多为聚苯乙烯泡沫板现将其有关设计分述如下2. 1 首先根据规范确定工程的设计冻深 计算公式可参见 “冻规”,也可按各地的经验公式,如我所提出的关中地区可参考采用[4]:H板= A板.Α(H地+ 14)?3. 88(2)式中: H板—混凝土衬砌板阴坡设计冻深(cm);A板—混凝土衬砌板阴坡冻深系数;Α—遮阴系数; ;H地—工程地点地面冻深(cm)2. 2 其次确定设计冻胀量 计算公式参见 “冻规”,另外我所提出的参考公式为:△h=Α·A板F气(Ξ土- 0. 86Ξp)b1+ c1·A板·ΑF气(Ξ土- 0. 86Ξp)(3)式中:△h—设计冻胀量(cm);F气—当地气温多年平均冻结指数(℃.d);Ξ土—阴坡在大冻时50cm深土层中平均土壤含水率(小数值);Ξp—土壤塑限含水量(小数值);b1·c1—阴坡冻胀变位系数其它符号同前。

当△h值大于[h]时,则可采用保温措施 来进行防治2. 3 最后计算保温板设计厚度 保温板厚度的计算是利用热阻等效原理导出的,其计算公式[5]为:∆b=Κb(H地 Κ土-1 a-∆s Κs)(4)式中:∆b—保温板厚度(cm);Κb·Κ土·Κs—保温板、 基土和混疑土的导热系数(kcal?m·h·℃);a—地面放热系数,a= 13v ;v—地面平均风速(m?s);∆s—混凝土板的厚度(cm)其他符号同前公式(4)是将地基冻深全部削减完所需的保温板厚度,也就是要求冻胀量为零的保温板厚度规范指出采用保温措施后允许保留一部分残余冻深为此我们按下式来确定削减的冻深值即残余冻深He即 Αp·f·He 100= [h]或 He=100[h] Αp·f=100[H] f 当采用混凝土板衬砌时,∵ [h]= 0. 5cm～2. 0cm,∴ He=50～200 f当采用砌石衬砌时,则He=100～300 f 削减后的冻深为H′d= H地- He将H′d代入(4)式求得的值,即为最终采用的保温板的设计厚度需要指出的是,在相同条件下冻深的削减量和冻胀量的减少量并不一定是等比关系,有可能是指数关系 如我所在陕西省泾四支试验渠上测得,当冻深削减63%时,冻胀量却削减了95%就是一侧。

另外,对于地下水位是浅埋或深埋的情况下,削减相同的冻深后冻胀量又是如何变化的呢?由于冻胀率和其主冻胀带的分布型式不同,应该说是不一样的还有渠道的冻害程度除过前述的因素外,与渠道的断面形式、 大小、 衬砌的结构形式等也有很大关系这些问题都很值得进一步深入研究3 换填防冻措施换填法是规范规定的防治冻害的重要措施之一其条件是如果地基土属于冻胀性土壤时,则采用粒径小于0. 05mm且含量小于总土重6%的非冻胀性砂、 砾石、 碎石、 矿渣等材料或上述材料的混合料,将冻深一定深·11·第4期任之忠 渠道衬砌工程采用保温与换填防冻措施的设计度内的土预以置换,以消除冻害 换填料的粒 径愈大效果愈好 那么,换填的厚度如何确定 呢?其办法如下3. 1 首先验算工程的冻胀变形安全性 和保温法一样根据当地的气温、 土壤和地下水位等资料,首先确定出工程设计冻深 和设计冻胀量,依表2列的允许冻胀量用公 式(1)来衡量工程冻胀变形安全性 如不安全 则可采用换填法来进行防治3. 2 换填层厚度的设计、 规范中规定了两种方法,其一是根据地 下水位的高低和基土性质,直接查表来确定 换填比;其二是应用下列公式计算得出 即 Hn=Ε ·Hd-∆ 。

5)或 d=hD i- [h] hD i·HD i(6)式中: Hn、d—换填深度或换填厚度(cm);Ε —换填比(% ) (由地下水位和土质选 定);∆0—衬砌板厚度(cm);HDi(或H地、Hd)—设计冻深(cm);hDi—设计冻胀量(cm)其余符号同前 应用(5)、(6)式计算出的数值相比后选择较大值作为设计厚度 需要强调的是换填料一定要纯净,粒径 小于0. 1mm的颗粒含量按地下水位的高和 低控制在5%～10%以下;必须采用可靠的 排水措施来保证换填层不能处于饱和水的状态,才能发挥防治效果另外,有关资料[3]介 绍当地下水位较深,下卧层基土透水性较佳 时,对主冻胀带进行换填将会起到良好的作 用 当地下水位很浅,基土处于毛细饱和区又 无排水设施时,则必须把冻深范围内的基土全部换完后才有效果由于换填料和基土的 导热系数不同,换填后的冻深大于原基土冻 深,因此全部换填的冻深(即换填厚度)应为:Hf= Hf0Κ? Κ0(4) 式中: Hf—换填后冻深(cm);Hf0—原基土冻深(cm);Κ 、 Κ0—换填料和基土的导热系数 但如果采用保温和换填法相结合的措施 后,其主冻胀带和换填厚度将会是怎样的变 化规律?这方面还缺乏应有的研究。

对于冻害严重且重要性较大的工程,也可在衬砌层和换填层之间铺设一层膜料,既 可防止渠道长期行水中水量的渗漏损失,提 高防渗效果,又可防止换填层被水中所含细 粒土污染,增大冻胀量,丧失换填层的防冻效 果4 结 语4. 1 两部规范的出版为我国渠道防渗防冻 工程的设计提供了重要的依据初步实现了 规范化 规范是随着技术的发展不断更新的,很多问题有待研究完善,正如文中所提出的 问题4. 2 保温法是种有效的防冻措施,设计的关 键是保温层的厚度对渠道衬砌来说要在允 许有一定冻胀量的基础上来考虑至于选用什么材料应根据材料来源、 施工条件和经济 效益等决定4. 3 换填法也是一种有效的防冻方法,决定 换填层的厚度时,地下水位高低、 下卧层土质 和排水条件是考虑的主要因素4. 4 根据实际情况也可采用保温与换填相 结合的综合措施,以提高防治效果和降低工 程费用 参 考 文 献1 中华人民共和国水利部.《渠道防渗工程技 术规范 SL18- 91》. 1991 2 中华人民共和国水利部.渠系工程抗冻胀设 计规范 SL23- 91.水利电力出版社, 1991 3 中国科学院兰州冰川冻土研究所.渠道工程 抗冻防渗研究. 1985. 11 4 任之忠,李萍等.陕西省经惠渠四支渠防渗 防冻胀工程的试验研究. 1992. 11 5 丁德文,叶拔友等.基础保温层厚度的确定 方法. 1985 (收稿日期: 1998年6月2日)·21·防渗技术第4卷。