5.6　防凍脹設(shè)計(jì)研究

5.6.1　凍脹破壞成因分析

渠道凍脹破壞可分為渠道防滲材料的凍融破壞、渠道中水體結(jié)冰造成防滲工程的破壞，以及渠道基土凍脹對(duì)防滲工程的破壞。

地基土的強(qiáng)烈凍脹需要有以下條件:

(1)低于水的凍結(jié)溫度。

(2)地下水位與凍結(jié)鋒面較接近，或土壤含水量較高，可供給凍結(jié)鋒面足夠的水分。

(3)基土的顆粒及級(jí)配易于產(chǎn)生凍脹。在粗粒土中由于沒有結(jié)合水和不易形成冰透鏡體，所以是非凍脹土。純黏土由于滲透系數(shù)太小，水流動(dòng)受限制不能向凍結(jié)區(qū)提供足夠水分，也不是對(duì)凍脹很敏感的土。但黏土中如存在較多的砂粒、粉粒或者裂隙發(fā)育時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重凍脹。其實(shí)，在土中是孔隙的大小決定凍脹，而非土顆粒本身的大小。一般認(rèn)為，0.1mm是允許冰透鏡體形成的最大顆粒尺寸，0.02mm是一個(gè)對(duì)凍脹敏感的顆粒尺寸。對(duì)于級(jí)配良好的粗粒土但小于0.02mm顆粒含量為3%;對(duì)于均勻級(jí)配的粗粒土但小于0.02mm顆粒含量為10%，都會(huì)使土發(fā)生凍脹;礫石土含有5%～10%的0.02mm的顆粒也會(huì)產(chǎn)生凍脹。滲透系數(shù)k為10-3～10-6cm/s的粉土、粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏土及裂隙發(fā)育的黏土最易發(fā)生凍脹。

穿黃工程所處地區(qū)年內(nèi)最冷月的平均氣溫低于-3～-5℃，極端最低溫度達(dá)-17℃，多年平均最大凍深500mm。每年當(dāng)日氣溫轉(zhuǎn)負(fù)一般始于11月下旬，終于翌年2月下旬，最長達(dá)114d;多年平均凍結(jié)指數(shù)103℃·d。南干渠基土以滲透系數(shù)k為5.1×10-7～4.2×10-4cm/s的壤土、滲透系數(shù)k為2.9×10-6～2.1×10-4cm/s的砂壤土為主，輸水渠沿線最高地下水位一般在地面以下1～3m，高出渠底1.0～2.5m，地下水位埋深較淺。因此，地基土發(fā)生凍脹的可能性很大。

當(dāng)基土發(fā)生超出襯砌結(jié)構(gòu)所能適應(yīng)的不均勻凍脹時(shí)，就會(huì)造成襯砌體凍脹破壞，主要表現(xiàn)由于基土凍脹引起襯砌鼓脹裂縫、隆起架空、整體上抬、板塊錯(cuò)位，嚴(yán)重的還會(huì)造成襯砌破碎或滑塌。渠道襯砌體的凍脹破壞，導(dǎo)致其失去防滲減糙作用，增大渠道輸水損失。

基土之所以發(fā)生不均勻凍脹主要原因有: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受日照與遮陰不同;④保溫效果的不同;⑤冬季輸水渠道輸水水位上下凍結(jié)條件的不同，造成水面上下渠坡具有不同的凍脹。

從基土發(fā)生不均勻凍脹的原因中不難看出，冰凍期地下水位、渠基土壤性質(zhì)、渠道走向、運(yùn)行工況決定著基土凍脹位移量的大小。

渠道斷面各點(diǎn)的凍脹程度取決于土中含水量的高低，而土中含水量的來源，一是由渠頂向下滲透，二是渠道防滲層的漏水，三是地下水位高低影響。一般地下水位很深，凍脹對(duì)砌體的破壞較小;地下水位較淺，低于渠底但小于臨界水深，渠底和渠坡都會(huì)有較大的凍脹;地下水位高于渠底，渠道內(nèi)無水，則底、坡都發(fā)生凍脹;渠道輸水時(shí)，則兩坡在冰面附近凍脹力最強(qiáng)。

梯形渠道由于坡腳處襯砌板的相互約束及其對(duì)基土凍脹的約束，凍脹分布很不均勻，鄰近坡腳處的凍脹量很小，但渠底板兩端受渠坡板的約束，凍脹變形中部大而兩端小，渠底中部彎矩較大;渠坡板下部受底板約束，上部受凍結(jié)力約束，下部凍脹量大，所以在中下部彎矩較大;鄰近坡腳的凍脹力很大，凍脹不均勻系數(shù)也大，還存在殘留凍脹量，襯砌體整體上抬是由渠底向上的凍脹變形和兩側(cè)渠坡法向凍脹變形產(chǎn)生，但在變形過程中，渠底板受到渠坡板約束成壓彎構(gòu)件，渠坡板受到渠底板及凍結(jié)力約束成為偏心受壓構(gòu)件，所以在渠坡下部和渠底中部容易產(chǎn)生凍脹破壞。

梯形混凝土襯砌渠道的破壞特征是沿渠道軸線方向，渠道邊坡裂縫的部位多在中下部(距邊坡底部1/4～1/3坡長處)，渠底板的裂縫在中部;渠道整體在不均勻凍脹變形作用下，產(chǎn)生整體上抬現(xiàn)象，特別是地下水埋深較淺時(shí)，上抬現(xiàn)象更明顯。渠內(nèi)無水且渠頂無水補(bǔ)給時(shí)，均質(zhì)土渠梯形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)渠道的凍脹變形及裂縫位置如圖5-59所示。渠內(nèi)有水時(shí)一般不發(fā)生凍害，渠坡襯砌板在水面以上部分與圖示情況的渠坡變形基本相似。

5.6.2　基土凍脹分析計(jì)算

在進(jìn)行渠道防滲工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)凍深大于0.3m的地區(qū)，應(yīng)進(jìn)行渠道抗凍脹計(jì)算，計(jì)算渠道的襯砌或板式護(hù)面結(jié)構(gòu)的凍脹位移角。經(jīng)抗凍計(jì)算，若不能滿足抗凍脹要求或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，應(yīng)采用相應(yīng)的抗凍脹措施。除重要工程外，目前一般渠道襯砌是以允許襯砌或板式護(hù)面凍脹變形或變位，即以渠道橫斷面上最大凍脹變形值作為控制指標(biāo)。

5.6.2.1　計(jì)算控制點(diǎn)選擇

如果渠道斷面所處土質(zhì)、地下水位條件相同時(shí)，其凍脹量也大致相同。但是，由于渠道的走向不同、日照不同、各地地下水位深淺不同、凍結(jié)深度不同，往往渠道的陽坡、陰坡、渠底，各處凍脹量會(huì)有很大差別。因此，應(yīng)將渠道斷面凍脹量相近范圍劃分為若干區(qū)段，以便進(jìn)行分區(qū)段的抗凍脹計(jì)算。在渠道各分段選擇1～2個(gè)具有代表性的橫斷面，確定一些計(jì)算點(diǎn)，如渠底、坡腳、坡中、坡頂?shù)龋@些計(jì)算點(diǎn)即稱為渠道斷面計(jì)算控制點(diǎn)。

根據(jù)南干渠沿線渠床地質(zhì)條件、渠道走向(N-S)、地下水位分析資料，結(jié)合不同的地下排水措施，進(jìn)行典型斷面的分析計(jì)算。

(1)采用暗管井排措施降低地下水位的情況，計(jì)算條件設(shè)定為:冬季停水期渠道內(nèi)無水、地下水位按冰凍期最高地下水位的情況計(jì)算設(shè)計(jì)凍深，并按冬季停水期渠道內(nèi)無水、地下水位按排水后在渠底以下0.5～1m的情況，在渠道斷面上選取4個(gè)點(diǎn)，分別計(jì)算渠坡、渠底凍脹量。凍脹量計(jì)算部位如圖5-60所示。

(2)按渠坡暗管逆止排水措施，只起平衡揚(yáng)壓的單一減壓功能的情況，計(jì)算條件設(shè)定為:冬季停水期渠道內(nèi)無水、地下水位按冰凍期最高地下水位的情況考慮，并在渠道斷面上選取4個(gè)點(diǎn)，分別計(jì)算渠坡、渠底設(shè)計(jì)凍深及凍脹量，以便與降低地下水位后的凍脹位移值作比較。凍脹量計(jì)算部位如圖5-61所示。

5.6.2.2　凍脹位移計(jì)算

(1)各控制點(diǎn)工程設(shè)計(jì)凍深的計(jì)算。按照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 211—2006)，工程設(shè)計(jì)凍深Hd的計(jì)算公式如式(5-54)～式(5-56)所示。

其他系數(shù)參見規(guī)范。

(2)控制點(diǎn)凍脹量的計(jì)算。對(duì)低液限黏土、粉土和高液限黏土及砂類土凍脹量計(jì)算，可分別用《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 23—2006)推薦的公式計(jì)算。

根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)判斷，壤土屬于低液限黏土，砂壤土屬于黏土、粉土過渡區(qū)。

對(duì)低液限黏土，凍脹量為:

按設(shè)定條件，采用《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 23—2006)計(jì)算典型斷面不同部位設(shè)計(jì)凍深、凍脹量等指標(biāo)見表5-13。

對(duì)比以上兩種地下水位時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可以看出:基土水分條件對(duì)凍深及凍脹位移值的影響較大。采用暗管疏干井排措施降低地下水位后的渠道上、中部凍脹量的凍脹量處于0.0047～0.22cm之間，小于規(guī)范規(guī)定弧形坡腳梯形斷面渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的允許法向位移值1.0cm，排水措施已能防止凍脹破壞;而渠底部凍脹量高達(dá)1.33～2.29cm，大于1.0cm，需增設(shè)其他工程措施共同處理。

5.6.3　防凍脹技術(shù)措施

針對(duì)渠道凍脹破壞，應(yīng)采取積極的防治措施，主要從以下幾個(gè)方面入手:①改善渠基土的溫度場與濕度場，從根本上消除或減少凍脹的發(fā)生;②選擇合理的襯砌結(jié)構(gòu)型式，改善結(jié)構(gòu)的受力情況，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承受能力，以減少凍脹破壞;③采用新型的防滲襯砌材料，提高材料自身的抗凍脹性能，以適應(yīng)凍脹變形;④嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保渠道防滲防凍效果及耐久性;⑤實(shí)行科學(xué)的運(yùn)行管理模式，處理好渠道行水和停水的關(guān)系，定期檢查，避免或減少凍脹的發(fā)生機(jī)會(huì)。

5.6.3.1　改善渠基土的溫度場與濕度場

渠道凍脹是在一定的溫度和濕度條件下發(fā)生的，對(duì)渠道采取保溫隔熱、基土換填或防滲排水等措施，能改善渠基土的溫度場與濕度場，削弱或消除凍脹發(fā)生的條件，減少或避免凍脹的發(fā)生。

(1)保溫隔熱措施。將保溫隔熱材料如爐渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板等布設(shè)在襯砌體背后及地表面，利用其導(dǎo)熱系數(shù)低的性能改變和控制渠基土周圍熱量的輸入輸出及轉(zhuǎn)化過程，人為影響凍土結(jié)構(gòu)，使凍土內(nèi)部水熱耦合作用在時(shí)空上重新分布，從而減輕或消除渠床的凍深和凍脹。保溫隔熱材料要求導(dǎo)熱系數(shù)低，具有一定的強(qiáng)度和耐久性，吸水率小。

聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫板是一種新型優(yōu)質(zhì)的隔熱保溫材料，具有自重輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水性小、耐老化和運(yùn)輸施工方便等特點(diǎn)，近年來在各地應(yīng)用廣泛。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為此進(jìn)行了專門的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:混凝土襯砌渠道鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫板，平均每厘米厚的保溫板，可提高基土溫度陰坡為1.3～1.8℃，陽坡為0.7℃左右，可減少凍深值東西走向渠道陰坡為6.8～11.3cm，陽坡為5.0～11.7cm，南北走向的渠道陰坡為9.5～10.4cm，陽坡為6.9～9.5cm，隨保溫層厚度的增加凍深呈線性減小。

(2)渠基土換填及加固處理。渠基土換填技術(shù)是指用風(fēng)積砂、砂礫石等弱凍脹性土，置換渠基原有土壤，降低渠道凍脹量的方法，其換填厚度根據(jù)土壤類別、地下水位埋深等確定。根據(jù)試驗(yàn)，用風(fēng)積砂換填渠基，凍脹率在3%以下，防凍效果在90%以上。

渠基土加固處理包括壓實(shí)處理和化學(xué)處理兩種方法。壓實(shí)處理可使土的干密度增加，孔隙率降低，透水性減弱，能阻礙水分遷移聚集，削減甚至消除渠基土凍脹的能力，起到防治凍害的目的;化學(xué)處理是將食鹽、氯化鈣、三磷酸鈉等化學(xué)材料注入或埋入渠基土中，使土中水的冰點(diǎn)降低或增強(qiáng)土的憎水性，使凍結(jié)時(shí)很少發(fā)生或不會(huì)發(fā)生水分遷移現(xiàn)象，從而大大減輕或消除凍脹。

5.6.3.2　南干渠工程防凍脹技術(shù)

根據(jù)南干渠工程沿線工程地質(zhì)水文地質(zhì)特性及凍脹位移值分析計(jì)算結(jié)果，在采取排水措施降低地下水位的情況下，渠道地基土的凍脹性類別為I級(jí)，可從削減、適應(yīng)凍脹等方面因地制宜地選用經(jīng)濟(jì)合理的一種或多種措施。經(jīng)分析研究，集成了基土排水、置換墊層、加筋泡沫材料保溫和聚苯乙烯泡沫板保溫等多種復(fù)合防凍脹措施，以防止凍脹破壞的發(fā)生。

結(jié)合防滲、防揚(yáng)壓、防濕陷技術(shù)措施的研究，采用置換砂礫墊層法不但可以增強(qiáng)渠基的排水性能，阻止下臥層水分向表層凍結(jié)區(qū)遷移，還可使置換層與渠底設(shè)置的排水系統(tǒng)連通，有效排出渠床渠基凍融層中的重力水和傍滲水;而對(duì)黃土渠基，則需要同時(shí)結(jié)合對(duì)濕陷性黃土渠底的壓實(shí)處理。使排水與置換、壓實(shí)等措施有機(jī)地結(jié)合，從而進(jìn)一步削減凍脹量，防止凍害現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)渠道走向、置換位置，考慮冬季引水等因素，經(jīng)計(jì)算，換填厚度采用15～25cm。