南水北调团城湖明渠工程渠道衬砌防冻胀结构选择浅析(2)

式中：Zm―历年最大冻深（cm）；根据北京地区的冻深观测资料，最大冻深为80cm；

ψd―考虑日照及遮阴程度的修正系数，按下式进行计算：ψd＝α+（1－α）ψi；

其中：ψi―典型断面（渠道走向N－S，底宽与深度之比B/H＝1.0，坡比m＝1.0）某部位的日照及遮阴程度修正系数。查图3.1.4-1得，ψi＝1.10；

α―系数，根据所在的气候区、计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置，查表3.1.4取得。α渠坡＝0.65，α渠底＝0.70。

据此算得ψd＝1.035（渠坡），1.030（渠底）。

ψw―地下水影响系数，按下式计算：

其中：Zwi―计算点的冻前地下水水位深度（m），为计算点地面至当前地下水水位的距离，取2.2m；

Zw0―邻近气象台的冻前地下水水位埋深（m），取3.0m；

据此计算得：ψw＝0.956。

根据以上公式，算得明渠段冻结深度79.1cm（渠坡），78.8cm（渠底）。

(2) 基础设计冻深

基础设计冻深是指计算点自底板底面算起的冻深。本工程明渠底板和护坡厚度均为12cm，因此按下式计算：

式中：Zd―设计冻深（m）；

δc―基础板厚度（m），取0.12m；

δw―底板之上冰层厚度（m），取0.5m；

算得基础设计冻深Zf＝78cm。

(3) 冻胀量计算

由于本工程不具备现场观测资料，因此根据规范，采用查表的方式求得冻胀量h等于1.65cm。

基础下冻土层产生的冻胀量hf按以下公式计算：

hf＝hZf/Zd

求得hf为1.63cm。

2.4.2 防冻胀材料的选择

根据渠道衬砌基土冻胀破坏原因和衬砌结构对基土冻胀的影响分析，选择防冻胀衬砌材料应从以下三方面考虑。

(1) 减少基土冻胀量。引起基土冻胀的土、水、温三个条件中，消除其中一个条件就不会发生冻胀。换填基土衬砌，把冻胀性土换成非冻胀性土（如砂砾料），改变基土条件，减少或消除冻胀。保温衬砌，在刚性衬砌的下面铺设一层保温层，形成保温衬砌结构，改变基土温度条件减少或消除冻胀。

(2) 改善衬砌的约束条件。对于冬季不输水渠道渠底对渠坡、渠坡对渠底的约束，使衬砌受力均匀。

(3) 提高衬砌抵抗或适应基土冻胀变位能力。加大衬砌厚度、提高衬砌的整体性和增加衬砌材料强度，可以使衬砌具有较强抵抗基土冻胀变位的能力。

通过以上分析可以看出，对明渠进行防冻害处理的措施是多样的，选择何种措施，须因地制宜，即保证工程质量，又得在经济上合理。结合工程所处位置的气候、地形地貌、地下水以及与相邻工程的关系等综合因素，采用了置换砂砾料垫层，并且在衬砌下方铺设塑膜防渗层减小渗水作为防冻害的处理措施。

2.4.3 砂砾料厚度的确定

根据以上计算结果，可知本工程地基土的冻胀级别为Ⅰ级。相应的衬砌结构允许法向位移值为0.5～1.0cm。由于基础下冻土层产生的冻胀量大于衬砌结构允许的法向位移值，因此需要在衬砌下部采取抗冻胀措施，以保证衬砌的稳定性，防止发生冻胀破坏。本工程在初步设计时，采用渠基换填砂砾料的措施防止冻胀破坏。置换深度按下式计算。

式中：δ0―衬砌板厚度（cm），本工程渠坡和渠底衬砌厚度均为12cm；

ε―置换比（%），参照京密引水设计时的换填比，取为65.7%；

由此算得置换深度Ze为39.7cm，因此换填砂砾料厚度为40cm。

2.4.4 其它衬砌材料的比较

为防止发生冻胀破坏，也可采取在衬砌下铺设保温材料聚苯乙烯泡沫塑料板，其厚度按下式计算：

式中：R0―保温基础设计热阻值；

αw―保温材料的导热系数修正系数，取1.1；

δc―基础材料厚度，取12cm；

λx―保温材料在自然状态下的导热系数；

λc―基础材料的导热系数。

经验算得需要的聚苯板厚度约为5cm。其物理机械性能应满足下表的要求：

项目表观密度压缩强度导热系数尺寸稳定性吸水率

单位kg/m3kPaW/(m.K)%%

指标301500.03922

2.4.5 砂砾料与聚苯板的综合对比

本工程中，采用置换砂砾料或者铺设聚苯板均可以作为防止衬砌发生冻胀破坏的措施，经综合对比，两种方案各自存在以下的优缺点：

(1) 置换砂砾料

优点：

1) 砂砾料为非冻胀性土，孔隙率较大，可形成良好的排水通道，对其下部未置换的冻土层发生的冻胀，具有良好的适应性。

2) 根据本工程的土方平衡设计，换填所需要的砂砾料可全部来自相邻工程段开挖产生的弃料，不用外购，节约了投资。

3) 砂砾料为天然材料，不存在污染和使用年限问题，满足世纪工程的要求。

缺点：在渠坡施工时，铺设和碾压存在一定的施工难度。

(2) 铺设聚苯板

优点：

1) 聚苯板保温效果好，铺设在衬砌体下部，割断下层土的水份补给，可以消减冻深和冻胀，相应减小置换深度。

2) 自重轻、强度高、吸水性低、施工方便。

缺点：

1) 基土水份较大，聚苯板长时间受水的影响，吸水率会逐渐增加，使得导热系数增大，进而降低其保温效果。较好的聚苯乙烯泡沫塑料使用寿命也只有30多年。因此仍然存在发生冻胀破坏的危险。

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