摘  要  渠道混凝土襯砌凍脹破壞與基土凍脹的不均勻性、襯砌受到的約束及其抵抗或適應(yīng)基土凍脹變形的能力等因素有關(guān)。針對明渠所處的地理位置和水文地質(zhì)條件，選擇適當(dāng)?shù)姆纼雒浗Y(jié)構(gòu)，降低基土凍脹的不均勻性、減少襯砌結(jié)構(gòu)的約束條件、提高襯砌結(jié)構(gòu)的強度和適應(yīng)變位的能力，是提高渠道耐久性的關(guān)鍵。

　　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

　　南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程（北京段）工程建設(shè)的任務(wù)是按照年凈調(diào)水10億m3的規(guī)模興建輸水總干渠工程，為2007年以前將河北省西大洋、王快、崗南、黃壁莊等水庫的水調(diào)向北京，為北京提供應(yīng)急備用水源創(chuàng)造條件，最終是將丹江口水庫的優(yōu)質(zhì)水源安全、可靠的輸送到終點團城湖，向北京市提供生活、工業(yè)用水，從根本上解決北京水資源的供需矛盾。

　　團城湖明渠上接西四環(huán)暗涵出口閘，下接團城湖下游京密引水渠，為總干渠末段工程，全長885m。其中明渠段總長為777.8m，采用復(fù)式斷面，渠底寬12m，邊坡1:2，上開口寬度為51m。水面以下采用混凝土襯砌，水面以上采用卵石護砌。

　　2  渠道襯砌方式的確定

　　2.1  氣象條件

　　年平均氣溫在11～12℃，年極端最高氣溫一般在35～40℃之間；年極端最低氣溫一般在-14～-20℃之間。7月最熱，月平均氣溫為26℃左右，1月最冷，月平均氣溫為-4～-5℃。

　　根據(jù)該渠段沿線氣象站歷年凍土統(tǒng)計資料分析，最大凍土深通常發(fā)生在2月份，深度一般在0.5～0.8m之間，多年平均凍土深0.47m。

　　2.2  地質(zhì)條件

　　工程區(qū)穿越京西沖洪積平原，地勢平坦，總體呈西南高東北低。勘探揭露的地層結(jié)構(gòu)總體特征呈上部為人工填土及第四系沖洪積重粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉細砂，下部為第四系沖洪積圓礫夾砂層透鏡體。渠道地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分為：上粘性土、下卵礫石雙層結(jié)構(gòu)段（Ⅲ7）。

　　2.3  襯砌型式的確定

　　根據(jù)《南水北調(diào)中線一期工程總干渠初步設(shè)計明渠土建工程技術(shù)規(guī)定》，明渠段襯砌底板厚為8cm，邊坡為10cm。現(xiàn)澆砼襯砌渠道一般間隔10m設(shè)一道縱、橫伸縮縫（貫穿縫），每間隔5m設(shè)一道半縫。另外，根據(jù)《水工設(shè)計手冊(8)-灌區(qū)建筑物》中的規(guī)定，對于襯砌厚度大于10cm的渠道，其伸縮縫間距為4~5m。按照以上規(guī)定，并綜合考慮本工程的實際情況，在初步設(shè)計時，將明渠段襯砌厚度定為12cm，橫縫分縫長度定為5m，縫寬為2cm，縫間填泡沫板，并在迎水面采用聚硫密封膏嵌縫。

　　明渠橫斷面圖

　　2.4  防凍脹設(shè)計

　　2.3.1  渠道凍脹破壞的影響因素

　　渠道襯砌發(fā)生基土凍脹破壞，主要表現(xiàn)為襯砌鼓脹裂縫、隆起架空、整體上抬、板塊錯位，嚴重的還會造成襯砌破碎或滑塌。渠道襯砌基土凍脹破壞與基土凍脹位移量大小及其不均勻程度、襯砌結(jié)構(gòu)受約束條件、襯砌結(jié)構(gòu)抵抗或者適應(yīng)基土凍脹變形的能力等因素有關(guān)。主要有以下幾個方面。

　　(1) 基土凍脹及其不均勻性。基土發(fā)生凍脹并不一定造成襯砌破壞，基土凍脹還必須具有一定的不均勻性。主要有以下幾個原因：

　　① 基土水分條件沿渠坡的分布不同。

　　② 基土土質(zhì)的不同。

　　③ 受日照與遮蔭不同。

　　④ 保溫效果的不同。

　　⑤ 冬季渠道水位上下凍結(jié)條件的不同，造成水面上下渠坡具有不同的凍脹。

　　(2) 襯砌混凝土發(fā)生基土凍脹位移時受到約束。襯砌基土發(fā)生凍脹時，襯砌結(jié)構(gòu)受到約束作用，使其不能隨著基土凍脹而發(fā)生位移造成破壞。

　　(3) 襯砌混凝土板抵抗或適應(yīng)基土凍脹變形能力。在襯砌基土的凍脹性確定以后，襯砌是否發(fā)生基土凍脹破壞，主要決定于襯砌混凝土板抵抗或適應(yīng)基土凍脹變位的能力。其影響因素主要有以下兩個方面：

　　① 襯砌板的結(jié)構(gòu)形式及混凝土強度。

　　② 襯砌板分塊大小。

　　2.3.2  凍脹計算

　　據(jù)明渠所處地段的地形地質(zhì)條件和水文氣象條件，渠道設(shè)計為半挖半填斷面。根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》（SL23-2006），對凍結(jié)深度Zd，基礎(chǔ)設(shè)計凍深Zf，凍脹量h，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量hf，置換深度分別進行計算。

　　(1) 凍結(jié)深度計算

　　式中：Zm―歷年最大凍深（cm）；根據(jù)北京地區(qū)的凍深觀測資料，最大凍深為80cm；

　　ψd―考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù)，按下式進行計算：ψd＝α+（1－α）ψi；

　　其中：ψi―典型斷面（渠道走向N－S，底寬與深度之比B/H＝1.0，坡比m＝1.0）某部位的日照及遮陰程度修正系數(shù)。查圖3.1.4-1得，ψi＝1.10；

　　α―系數(shù)，根據(jù)所在的氣候區(qū)、計算斷面的軸線走向、斷面形狀及計算點位置，查表3.1.4取得。α渠坡＝0.65，α渠底＝0.70。

　　據(jù)此算得ψd＝1.035（渠坡），1.030（渠底）。

　　ψw―地下水影響系數(shù)，按下式計算：

　　其中：Zwi―計算點的凍前地下水水位深度（m），為計算點地面至當(dāng)前地下水水位的距離，取2.2m；

　　Zw0―鄰近氣象臺的凍前地下水水位埋深（m），取3.0m；

　　據(jù)此計算得：ψw＝0.956。

　　根據(jù)以上公式，算得明渠段凍結(jié)深度79.1cm（渠坡），78.8cm（渠底）。

　　(2) 基礎(chǔ)設(shè)計凍深

　　基礎(chǔ)設(shè)計凍深是指計算點自底板底面算起的凍深。本工程明渠底板和護坡厚度均為12cm，因此按下式計算：

　　式中：Zd―設(shè)計凍深（m）；

　　δc―基礎(chǔ)板厚度（m），取0.12m；

　　δw―底板之上冰層厚度（m），取0.5m；

　　算得基礎(chǔ)設(shè)計凍深Zf＝78cm。

　　(3) 凍脹量計算

　　由于本工程不具備現(xiàn)場觀測資料，因此根據(jù)規(guī)范，采用查表的方式求得凍脹量h等于1.65cm。

　　基礎(chǔ)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量hf按以下公式計算：

　　hf＝hZf/Zd

　　求得hf為1.63cm。

　　2.4.2  防凍脹材料的選擇

　　根據(jù)渠道襯砌基土凍脹破壞原因和襯砌結(jié)構(gòu)對基土凍脹的影響分析，選擇防凍脹襯砌材料應(yīng)從以下三方面考慮。

　　(1) 減少基土凍脹量。引起基土凍脹的土、水、溫三個條件中，消除其中一個條件就不會發(fā)生凍脹。換填基土襯砌，把凍脹性土換成非凍脹性土（如砂礫料），改變基土條件，減少或消除凍脹。保溫襯砌，在剛性襯砌的下面鋪設(shè)一層保溫層，形成保溫襯砌結(jié)構(gòu)，改變基土溫度條件減少或消除凍脹。

　　(2) 改善襯砌的約束條件。對于冬季不輸水渠道渠底對渠坡、渠坡對渠底的約束，使襯砌受力均勻。

　　(3) 提高襯砌抵抗或適應(yīng)基土凍脹變位能力。加大襯砌厚度、提高襯砌的整體性和增加襯砌材料強度，可以使襯砌具有較強抵抗基土凍脹變位的能力。

　　通過以上分析可以看出，對明渠進行防凍害處理的措施是多樣的，選擇何種措施，須因地制宜，即保證工程質(zhì)量，又得在經(jīng)濟上合理。結(jié)合工程所處位置的氣候、地形地貌、地下水以及與相鄰工程的關(guān)系等綜合因素，采用了置換砂礫料墊層，并且在襯砌下方鋪設(shè)塑膜防滲層減小滲水作為防凍害的處理措施。

　　2.4.3  砂礫料厚度的確定

　　根據(jù)以上計算結(jié)果，可知本工程地基土的凍脹級別為Ⅰ級。相應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)允許法向位移值為0.5～1.0cm。由于基礎(chǔ)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量大于襯砌結(jié)構(gòu)允許的法向位移值，因此需要在襯砌下部采取抗凍脹措施，以保證襯砌的穩(wěn)定性，防止發(fā)生凍脹破壞。本工程在初步設(shè)計時，采用渠基換填砂礫料的措施防止凍脹破壞。置換深度按下式計算。

　　式中：δ0―襯砌板厚度（cm），本工程渠坡和渠底襯砌厚度均為12cm；

　　ε―置換比（%），參照京密引水設(shè)計時的換填比，取為65.7%；

　　由此算得置換深度Ze為39.7cm，因此換填砂礫料厚度為40cm。

　　2.4.4  其它襯砌材料的比較

　　為防止發(fā)生凍脹破壞，也可采取在襯砌下鋪設(shè)保溫材料聚苯乙烯泡沫塑料板，其厚度按下式計算：

　　式中：R0―保溫基礎(chǔ)設(shè)計熱阻值；

　　αw―保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)，取1.1；

　　δc―基礎(chǔ)材料厚度，取12cm；

　　λx―保溫材料在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)；

　　λc―基礎(chǔ)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

　　經(jīng)驗算得需要的聚苯板厚度約為5cm。其物理機械性能應(yīng)滿足下表的要求：

　　本工程中，采用置換砂礫料或者鋪設(shè)聚苯板均可以作為防止襯砌發(fā)生凍脹破壞的措施，經(jīng)綜合對比，兩種方案各自存在以下的優(yōu)缺點：

　　(1) 置換砂礫料

　　優(yōu)點：

　　1) 砂礫料為非凍脹性土，孔隙率較大，可形成良好的排水通道，對其下部未置換的凍土層發(fā)生的凍脹，具有良好的適應(yīng)性。

　　2) 根據(jù)本工程的土方平衡設(shè)計，換填所需要的砂礫料可全部來自相鄰工程段開挖產(chǎn)生的棄料，不用外購，節(jié)約了投資。

　　3) 砂礫料為天然材料，不存在污染和使用年限問題，滿足世紀工程的要求。

　　缺點：在渠坡施工時，鋪設(shè)和碾壓存在一定的施工難度。

　　(2) 鋪設(shè)聚苯板

　　優(yōu)點：

　　1) 聚苯板保溫效果好，鋪設(shè)在襯砌體下部，割斷下層土的水份補給，可以消減凍深和凍脹，相應(yīng)減小置換深度。

　　2) 自重輕、強度高、吸水性低、施工方便。

　　缺點：

　　1) 基土水份較大，聚苯板長時間受水的影響，吸水率會逐漸增加，使得導(dǎo)熱系數(shù)增大，進而降低其保溫效果。較好的聚苯乙烯泡沫塑料使用壽命也只有30多年。因此仍然存在發(fā)生凍脹破壞的危險。

　　2) 聚苯板為分塊鋪設(shè)，塊間縫隙仍為滲水通道，減小了防滲效果。

　　3) 聚苯板為化工材料，并且不可降解，大量使用存在污染環(huán)境的風(fēng)險。

　　3  結(jié)論

　　通過以上分析可以看出，根據(jù)本工程所處環(huán)境的實際情況，經(jīng)計算后選擇抗凍脹材料，符合規(guī)范和有關(guān)規(guī)定，同時對于環(huán)境保護、渠道的安全和耐久性是有利的，可取得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。