引黄济青输水渠改造工程设计冻深及冻胀量分析

谢 忱

(山东省胶东调水工程胶州管理处，山东 胶州 266300)

引黄济青工程输水渠起始端为打渔张枢纽沉砂池出口，终止端为棘洪滩水库，全长252.5km，自1986年开始建设，1989年11月25日建成通水，建成至今已累计向青岛供水近20亿m3，极大地推动了供水沿线地区的社会经济发展。输水渠中利用倒虹、渡槽等建筑物输水长度约9.08km；利用小清河分洪道输水长度约36.5km；利用吴沟河输长度约5.8km；另外开挖新建输水渠长度约201.2km。引黄济青输水渠建成至今已运行近30年，受冻胀作用的影响，处于水位浮动范围内的部分渠道发生衬砌混凝土板坍塌、裂缝严重等病害和破坏[1- 3]，造成此类渠道漏水较严重。国内外学者研究发现，渠道冻胀破坏的主要受气温、土壤类型及其含水量的影响[4- 7]。输水渠所处地区为山东胶东地区，冬季时间长且气温较低，该地区土壤中粉粒含量较高，易发生冻胀，由于输水渠供水时间主要在冬季，在运行过程中，会导致土壤中含水量较高，必然会导致渠床发生冻胀，造成渠道衬砌的破坏[8- 10]。

1 设计冻深及冻胀量计算

1.1 渠系设计冻深计算

根据SL23- 2006渠系工程抗冻胀设计规范，采用寿光市、寒亭区(1985～2009年)的气象资料进行复核计算，明渠渠道按土质、地下水条件和渠道走向基本相同的原则划分不同的渠段，每个渠段选取一个具有代表性的典型断面，每个断面分别选取渠底、坡脚、坡中、坡(地下水位附近)、坡顶8个点进行计算。

设计冻深根据SL23- 2006确定，各公式如下：

(1)

式中，Zd—渠系工程设计冻深，cm；Zm—历年最大冻深，cm，输水渠各段历年最大冻深见表1；

表1 输水渠沿线各段历年最大冻深

表2 渠系典型断面的工程设计冻深计算结果

Ψd—考虑日照及遮阴程度修正系数；Ψw—地下水影响系数；Ψi—典型断面某部位的日照及遮阴程度修正系数；α—系数；Zwi—计算点的冻前地下水位深度，m；Zwo—邻近气象台(站)的冻前地下水位深度，m，当黏土、粉土Zwo>3.0m，细粒土质砂Zwo>2.5m，含细粒土砂Zwo>2.0m时，可取黏土、粉土Zwo=3.0m，细粒土质砂Zwo=2.5m，含细粒土砂Zwo=2.0m；β—系数。

根据规范规定，寿光选取1985年最大冻深，即Zm取值为54cm；寒亭选取2003年最大冻深，即Zm取值为37cm。选取明渠桩号66+752、83+667、96+729、105+682、125+701、152+266的典型断面进行计算，渠系的工程设计冻深见表2。

1.2 基础设计冻深的确定

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》确定，各公式如下：

(2)

式中，Ri—底板热阻，m2·℃/W；Ro—设计热阻，m2·℃/W；lo—冻结指数，℃·d，输水渠各段冻结指数见表3；Zd—工程地点的天然设计冻深，cm；Zf—基础下的设计冻深，cm；δc—基础板厚度，m；δw—底板之上冰层厚度，m；λc—底板(墙)的热导率，W/(m·℃)。

选取明渠桩号66+752、83+667、96+729、105+682、125+701、152+266的典型断面进行计算，每个渠段基础设计冻深见表4。

1.3 冻胀量的计算

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》确定，公式如下：

表3 输水渠沿线各段历年冻结指数 单位：℃·d

表4 渠系典型断面的基础设计冻深计算结果

(3)

式中，hf—基础结构下冻土层产生的冻胀量，cm；

图1 渠道保温措施及衬砌型式

h—工程地点天然冻土层产生的冻胀量，cm；其他参数同公式(1)、公式(2)。

因引黄济青输水渠道没有现场试验观测条件，其冻胀量h可由Zw的情况在规范中查的，当Zw超过2.0m时，按2.0m取值。根据输水渠走向、地下水埋深、渠床土质等，分别对输水渠典型断面进行计算，冻胀量计算结果见表5。

表5 渠系典型断面的冻胀量计算结果

规范中渠道断面为梯形时，其混凝土衬砌结构冻胀允许法向位移值规定为5～10mm。由计算结果可知，计算断面阴坡冻胀量为10～141mm，阳坡冻胀量为7～94mm，渠底为11～125mm，地下水位处坡面为94～174mm，可以判别地基土的冻胀级别为Ⅱ级和Ⅲ级；根据计算结果、渠坡及渠底冻胀量均大于规范规定，需对渠坡和渠底采取保温措施。因此，本次输水渠改造工程的渠道防冻胀设计采用全断面铺设保温板和复合土工膜，其上铺6cm厚预制混凝土板；渠坡采用保温板和6cm厚预制混凝土板防护，渠底采用0.5m厚当地土压实这两种护砌型式，如图1所示。

2 结语

以渠道沿线的土壤类型、渠道走向及其护砌型式，选取了有代表性的典型断面，分析计算典型断面上各部位的冻胀量，本次选取寿光、寒亭两段渠道进行复核计算，与引黄济青工程原输水渠衬砌防冻胀设计进行比较后，确定采取防冻保温的措施。本次输水渠改造工程的渠道防冻胀设计采用全断面铺设保温板和复合土工膜，其上铺6cm厚预制混凝土板；渠坡采用保温板和6cm厚预制混凝土板防护，渠底采用0.5m厚当地土压实这两种护砌型式。

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