南水北调团城湖明渠工程渠道衬砌防冻胀结构选择浅析

摘 要 渠道混凝土衬砌冻胀破坏与基土冻胀的不均匀性、衬砌受到的约束及其抵抗或适应基土冻胀变形的能力等因素有关。针对明渠所处的地理位置和水文地质条件，选择适当的防冻胀结构，降低基土冻胀的不均匀性、减少衬砌结构的约束条件、提高衬砌结构的强度和适应变位的能力，是提高渠道耐久性的关键。

Abstract: the concrete lining damage channel freezing expansion and the soil frost heaving the inhomogeneity of the lining of the constraints, by its resistance or adapt to the soil freezing expansion of the deformation of the other factors, such as the ability. Open in place of geographical location and hydrological, geological conditions of the choice of appropriate anti-freeze bilge structure, reduce the soil frost heaving the inhomogeneity of the lining structure, reduce the constraint, improve the strength of the lining structure and adapt to the ability of displacement, the key is to improve the durability of the channel.

1 工程概述

南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）工程建设的任务是按照年净调水10亿m3的规模兴建输水总干渠工程，为2007年以前将河北省西大洋、王快、岗南、黄壁庄等水库的水调向北京，为北京提供应急备用水源创造条件，最终是将丹江口水库的优质水源安全、可靠的输送到终点团城湖，向北京市提供生活、工业用水，从根本上解决北京水资源的供需矛盾。

团城湖明渠上接西四环暗涵出口闸，下接团城湖下游京密引水渠，为总干渠末段工程，全长885m。其中明渠段总长为777.8m，采用复式断面，渠底宽12m，边坡1:2，上开口宽度为51m。水面以下采用混凝土衬砌，水面以上采用卵石护砌。

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2 渠道衬砌方式的确定

2.1 气象条件

年平均气温在11～12℃，年极端最高气温一般在35～40℃之间；年极端最低气温一般在-14～-20℃之间。7月最热，月平均气温为26℃左右，1月最冷，月平均气温为-4～-5℃。

根据该渠段沿线气象站历年冻土统计资料分析，最大冻土深通常发生在2月份，深度一般在0.5～0.8m之间，多年平均冻土深0.47m。

2.2 地质条件

工程区穿越京西冲洪积平原，地势平坦，总体呈西南高东北低。勘探揭露的地层结构总体特征呈上部为人工填土及第四系冲洪积重粉质粘土、粉质粘土、粉细砂，下部为第四系冲洪积圆砾夹砂层透镜体。渠道地质结构划分为：上粘性土、下卵砾石双层结构段（Ⅲ7）。

2.3 衬砌型式的确定

根据《南水北调中线一期工程总干渠初步设计明渠土建工程技术规定》，明渠段衬砌底板厚为8cm，边坡为10cm。现浇砼衬砌渠道一般间隔10m设一道纵、横伸缩缝（贯穿缝），每间隔5m设一道半缝。另外，根据《水工设计手册(8)-灌区建筑物》中的规定，对于衬砌厚度大于10cm的渠道，其伸缩缝间距为4~5m。按照以上规定，并综合考虑本工程的实际情况，在初步设计时，将明渠段衬砌厚度定为12cm，横缝分缝长度定为5m，缝宽为2cm，缝间填泡沫板，并在迎水面采用聚硫密封膏嵌缝。

明渠横断面图

2.4 防冻胀设计

2.3.1 渠道冻胀破坏的影响因素

渠道衬砌发生基土冻胀破坏，主要表现为衬砌鼓胀裂缝、隆起架空、整体上抬、板块错位，严重的还会造成衬砌破碎或滑塌。渠道衬砌基土冻胀破坏与基土冻胀位移量大小及其不均匀程度、衬砌结构受约束条件、衬砌结构抵抗或者适应基土冻胀变形的能力等因素有关。主要有以下几个方面。

(1) 基土冻胀及其不均匀性。基土发生冻胀并不一定造成衬砌破坏，基土冻胀还必须具有一定的不均匀性。主要有以下几个原因：

① 基土水分条件沿渠坡的分布不同。

② 基土土质的不同。

③ 受日照与遮荫不同。

④ 保温效果的不同。

⑤ 冬季渠道水位上下冻结条件的不同，造成水面上下渠坡具有不同的冻胀。

(2) 衬砌混凝土发生基土冻胀位移时受到约束。衬砌基土发生冻胀时，衬砌结构受到约束作用，使其不能随着基土冻胀而发生位移造成破坏。

(3) 衬砌混凝土板抵抗或适应基土冻胀变形能力。在衬砌基土的冻胀性确定以后，衬砌是否发生基土冻胀破坏，主要决定于衬砌混凝土板抵抗或适应基土冻胀变位的能力。其影响因素主要有以下两个方面：

① 衬砌板的结构形式及混凝土强度。

② 衬砌板分块大小。

2.3.2 冻胀计算

据明渠所处地段的地形地质条件和水文气象条件，渠道设计为半挖半填断面。根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-2006），对冻结深度Zd，基础设计冻深Zf，冻胀量h，基础结构下冻土层产生的冻胀量hf，置换深度分别进行计算。

(1) 冻结深度计算

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