如何提高衬砌渠道的抗冻胀能力？

选择渠道的线路应避免地下水位埋藏浅和土质黏重的地段,尽量选择在粗颗粒土壤地基、地下水埋藏较深以及无旁渗水补给的地段。对地下水位埋藏较浅或存在渗水补给的渠段,应尽量采用填方渠道。

7.3.2.1　渠床地基土冻胀性类别属于Ⅱ级以下,渠床地基土冻胀量小于2倍允许冻胀位移量(表7.1)时的措施

(1)对于中小型梯形混凝土衬砌渠道,可以用架空梁板式或预制空心板式结构。为了增强梁板结构的抗冻害能力,宜采用钢筋混凝土梁,从而提高了梁的抗弯、抗剪强度。预制空心板结构的厚度大于同方量实体混凝土板的厚度,每块空心板可以设计成4×φ10cm左右的空腔,孔两端封闭,从而形成空气夹层,起到了保温隔热作用以减少冻结深度。

(2)对于设计流量小于2m3/s左右的小型渠道,可以采用整体式U 形槽衬砌,圆弧直径应小于2.0m,圆弧上部采用小于1∶0.2的斜度。U 形断面较梯形断面具有一定的反拱作用,渠基土冻胀时,其冻胀变形分布均匀,抵抗力较强,可以明显减轻冻害,而且在基土融化后,基本上能够复位,残余变形较小。但必须注意纵向伸缩缝的设置间距一般不应超过8m。

(3)对于设计流量小于9m3/s左右的渠道,可以采用弧形底或弧形坡角的梯形坡面渠道。在渠道轴线方向每隔3m 左右应设变形缝 (伸缩缝),并在缝间充填低温柔性好、炎夏不流淌、与混凝土黏结力强、弹塑性好、防渗性能好、抗老化并具有一定的耐酸耐碱能力的填缝材料。伸缩缝的处理是至关重要的。

(4)对于大型渠道,可采用现浇的混凝土肋梁板、楔形板、中部加厚板或预制的门形板等防渗结构形式(图7.5)。

(5)对渠床基土进行夯实压密,压实的深度应为工程设计冻深的范围,其压实系数不应小于0.95,干密度不低于1600kg/m3。

7.3.2.2　渠床基土冻胀量大于2倍允许衬砌物位移量时的措施

对于小型渠道采用U 形槽或矩形槽整体式混凝土结构 (图7.6),槽底基土要进行非冻胀土的置换,槽侧回填土高度不应高于渠槽深度的1/3,也可采用桩、墩等基础架空槽体,但桩、墩基础的冻胀变形量应为零,也即不允许桩、墩基础发生冻胀。

1.渠基土置换措施

(1)所采用的换填材料。换填材料应采用砂土、砾石、碎石、矿渣等非冻胀性土,也可是上述材料的混合料。砂砾换填料愈纯净愈好,其中粒径小于0.1mm 的颗粒含量不得超过如下指标:当地下水位距换填料底部的距离不小于0.5m 时,细颗粒含量不大于10%;当地下水位距换填粒底部的距离小于0.5m 时,细颗粒含量不小于5%。

图7.5　混凝土防渗层的结构形式

(a)楔形板;(b)肋梁板;(c)中部加厚板;(d)门形板

图7.6　整体式衬砌的结构形式

(2)换填深度。通过“7.2.2 有关基本资料和数据的搜集与抗冻胀计算”一节,我们已经讲述了渠道断面各控制点的抗冻胀计算,对渠道断面的不同点和不同部位,宜采取不同的换填深度,其换填的比例见表7.6。换填料应置换到封顶板边界以外10cm。渠道边坡顶部的换填厚度不应小于10cm。当渠道中水流速度较大时,应防止水流对换填层的淘刷;当渠水含泥量较大时,应防止换填层含量的增加而丧失换填功效。在这种情况下,最好在换填层外围用土工布保护。

表7.6　渠床基土换填深度表

注 1.参照SL18—2004 《渠道防渗工程技术规范》。
2.表中Z—地下水埋藏深度,m;Hd—控制点设计冻深,m。
3.换填比=×100%。

2.保温隔热措施

所谓保温隔热措施是指在渠道衬砌下面铺一层导热系数较小的隔热材料,从而达到渠基土不冻结或削减冻结深度,以达到减少渠基土冻胀或不发生冻胀的目的。

目前工程上常用的保温隔热材料是聚苯乙烯泡沫塑料板。采取保温隔热措施时,保温材料在强度、压缩系数、吸水性、抗腐蚀性、耐久性等方面应满足工程设计要求,其原材料性能应符合表6.7的规定。

3.保温隔热层厚度的确定

根据保温隔热层消减冻深值,可以允许残留一部分冻土层,以减少工程投资。消减的冻深值,可按换填厚度相同的方法,根据表7.6确定。对于大型渠道工程保温隔热板厚度的确定,通常用热阻来计算,即以保温隔热板的热阻等效代替渠床冻深所对应的冻土层热阻,由此确定保温隔热层厚度。

(1)热阻计算法。

保温层的热阻R0可按式(6.7)计算,即

【实例】 某地设计冻结指数I0=2295.24℃·d,如采用聚苯乙烯泡沫塑料板保温基土不受冻结,所需厚度应为多少? (衬砌厚度为5cm)

解

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根据式(6.8)和表6.8、表7.7可知当I0=2295.24℃·d时,

设计时可采用保温板厚度D=15cm。

表7.7　部分材料的导热系数

(2)对于中、小型工程,保温层厚度可以采用如下经验公式

式中 Hd——工程设计冻深,cm。

在采用式(7.7)时应注意在冻深相对大的部位,选分母大值。

保温层铺设的部位,一般是全断面铺设。冬季行水的渠道应重点关注渠水位变化区,冬季放空的渠道重点关注渠坡下三分之一处,冬季地下水位较高的地方,重点关注渠底中心线处。具体的铺设厚度,应根据各控制点的抗冻胀计算值大小而有所不同。一般来讲,东西走向的渠道,阳坡铺的厚度应薄些,冻深小冻胀量不超过衬砌板允许位移量的可以不铺,重点部位应适当加强些。

4.排水措施

在同一工程地点来讲,渠床基土含水量和地下水位是影响冻胀的关键所在,所以搞好排水措施也是解决渠系衬砌防治冻胀破坏不可忽略的问题。

(1)当冻融层或置换层下不透水层较薄,地下水位线低于工程设计冻深时,可在渠底每隔10～20m 设一眼盲井,以便冻融层或置换层中的水分在冻结过程中有排出通路,从而减少渠床基土的冻胀量。

(2)当渠床基土已进行了砂卵石等粗颗粒置换,冻融层有排水出路时,可在工程设计冻深底部设置纵横向的排水暗管,使渠床冻融层中的水分或渠道旁渗水能够排出渠外。集水管可采用带孔石棉水泥管、塑料管或混凝土管等。暗管直径应根据排水量大小而定,但不宜小于15cm,纵向坡度不得小于0.001～0.002,集水管周围尚需采取反滤措施。

(3)冬季输水的渠道,当渠侧有旁渗水补给渠床时,可在最低行水位以上设置反滤排水体,排水口设在最低行水位处,将旁渗水排入渠内,以免浸湿渠床。

(4)冬季靠蓄水保温的渠道,为了保证渠底温度大于0℃,其蓄水深度不应小于0.6倍的工程设计冻深。

5.防渗结构措施

渠道采用混凝土衬砌的目的,一是提高了抗冲能力,从而可提高渠水流速,减少断面尺寸,少占土地;二是想减少渗漏损失。但是由于混凝土衬砌必须考虑施工方便和自身的温度应力影响,不得不分割成块状,于是伸缩缝布满渠道断面,实践证明,由于伸缩缝处理不好,不仅造成渗漏损失,降低了水的利用率,同时也使渠床基土的含水率增加,从而加剧了渠床基土的冻胀强度。据山西省的系统测试,预制块衬砌渠道当水深为1m 时,渗漏量可达0.4m3/ (m2·d),甘肃省的测试,预制混凝土衬砌渠道渗漏量可达0.22m3/ (m2·d)。从全国看,渠道渗漏严重,渠道水利用系数较低,平均值小于0.5。各省、自治区差异也很大,表7.8列出部分省、自治区1995年的渠道水利用系数的统计结果。

表7.8　1995年渠道水利用系数统计表

注 此表摘自 《现代高效节水灌溉设施》吴普特、牛文全、郝宏科主编,化学工业出版社,ISBN7—5023—3751—1/S1106。

针对上述情况,进行衬砌渠道抗冻胀设计时建议采用如下措施。

(1)混凝土衬砌板下面铺一层土工膜,这种板膜式复合结构,施工方便、防渗性能好。板膜复合结构渠道渗漏损失一般仅为单纯混凝土板衬砌渗漏损失的1/6 (甘肃省的试验证明,膜料防渗渠道的渗漏强度仅为混凝土衬砌渠道的1/15),是砌石材料的1/13,是土渠的1/21。

(2)根据《混凝土板底下衬铺塑料薄膜防止冻胀破坏的经验介绍》赵彬彤总结新疆猛进干渠的工程经验,在混凝土板下加铺塑料薄膜后,渠床土含水量从25%～28%下降到15%～18%,冻胀量比未铺膜料的渠道减少33%～56%。塑料膜的厚度不宜太薄,以防在施工中易受外力破坏,应选用厚度为0.15～0.30mm 的塑料膜。当选用混凝土衬砌时,应在混凝土板与塑膜之间铺设一层过渡层,一般以低标号砂浆为好,厚度为2～3cm (图7.7)。

图7.7　衬砌渠道防渗措施示意图

在寒冷和严寒地区,可优先选用聚乙烯膜;在芦苇等穿透性植物丛生地区,可优先选用聚氯乙烯膜。另外反滤膜也可选用厚度为0.60～0.65mm,用无碱或中碱玻璃纤维布机制的油毡。除此之外,复合土工膜 (一布一膜、二布一膜或三布两膜等结构)更为适用,因其在施工中不易损坏,便于操作和黏接。

(3)几个值得注意的问题。为了降低渠床土的含水量和地下水位,削减或消除渠床土的冻胀,以及提高渠水利用率减少渗漏损失,应注意如下几点:①渠堤顶面必须压实好,并作成向外的斜坡,铺好封顶板。②修好堤顶排水沟和排洪措施,尽力减少外来水对渠体的浸湿。③采用混凝土等刚性材料作渠道衬砌时,应沿渠道纵向每隔3～5m 设一横向缝,缝宽20～30mm,缝形为矩形或梯形;沿渠道横断面每隔1～4m 设一纵向缝,缝宽20～40mm,缝形可采用矩形、梯形或铰形(图7.8)。变形缝内充填弹塑性好、黏结力强的防渗膠泥。常用的有焦油塑料膠泥、聚氯乙烯 (PVC)膠泥、弹性聚酯油膏、聚硫密封膏、建筑油膏等。变形缝的充填不可过满,但必须压实抹平,一般应低于变形缝上口1cm 左右。④当渠床基土采取非冻胀性置换后,应保证置换层在冻结期不饱水或有排水出路。

图7.8　变形缝形式示意图

1—宽度不小于10cm 宽的油毡或其他防水材料;2—填充料,可用细石混凝土或沥青砂浆捣实;3—弹塑性好,黏结力强的防渗膠泥;4—弹性止水带或弹塑性好的膠泥