南水北调石津干渠工程渠道防冻胀设计

张 潇

南水北调石津干渠工程渠道防冻胀设计

张 潇

（保定市西大洋水库管理处，河北保定072350）

石津干渠工程是河北省南水北调配套工程跨市干渠工程之一，地处浅层季节冻土区，冬季基土冻胀对渠道混凝土衬砌有很大的破坏作用。防冻胀设计既要保证工程安全，又要尽量减少工程造价，达到技术可行、经济合理、安全可靠的目的。计算了渠道护砌下的冻胀量，并提出防冻胀措施：在地下水位高于渠道设计渠底渠段及河滩地段，采用置换砂砾料措施防冻，经计算置换厚度为0.3～0.4 m，其它部位以及砂砾层组成按排水要求设计；地下水位较低渠段，采取保温板措施防冻，东西走向渠道保温板厚度阴坡0.06 m、阳坡0.04 m，其它走向渠道渠坡保温板厚度为0.06 m。

南水北调；石津干渠；防冻胀

石津干渠工程是河北省南水北调配套工程跨市干渠工程之一，主要供水对象为石家庄市、衡水市、沧州市以及干渠沿线和大浪淀水库、衡水湖周边县（市）。石津干渠工程渠首为南水北调中线总干渠的田庄分水口，终点为衡水市的衡水湖和沧州市的大浪淀水库。该工程引水渠道穿过河北省最大的灌区——石津灌区，并与灌溉渠道结合。石津干渠供水系统多年平均引江供水量约10.5亿m3，其中石家庄市4.16亿m3、衡水市3.1亿m3、沧州市3.24亿m3。

1 工程概况

1.1 水文气象

石津干渠配套工程穿越海河流域的子牙河和黑龙港两大水系，共涉及较大河流10条，其中行洪河道3条，分别为太平河、滏阳新河、南运河；排沥河道7条，分别为邵村排干（并行）、龙治河、滏阳河、滏东排河、老盐河、清凉江、江江河等。并与多条小型河道和灌溉渠道交叉。

石津干渠所在区域属暖温带大陆性季风气候区，多年平均年降水量470～558 mm，多年平均水面蒸发量为941～1 339 mm。干渠沿线地区多年平均气温12.3～13℃，月平均最低气温出现在1月，为-4.2～-2.7℃。沿线地区春夏季多南风和西南风，秋冬季多北风，多年平均风速1.8～3.4 m/s，最大风速16～20 m/s。最早地面稳定冻结日期在11月 16—30日，最晚开始解冻日期在2月22日—3月15日。历年最大冻土深0.45～0.61 m。

1.2 工程地质

石津干渠沿线在地貌类型上可分为两部分，即西部（晋州以西）属于太行山山前倾斜平原，地势西高东低；东部（晋州以东）属于冀中平原区，地形总体比较平坦开阔。

根据区域地质资料及勘察成果，工程区的地层为第四系全新统地层，大部分属于洪积及冲积成因，局部夹有湖沼积成因的地层。分布的岩性主要有壤土、砂壤土、黏土、细砂、中砂及粗砂等。

石津干渠沿线地震动峰值加速度除南皮县为0.05 g、相当于地震基本烈度Ⅵ度外，其余各县市均为0.10 g、相当于地震基本烈度Ⅶ度。

工程区地下水类型为第四系孔隙潜水，由西向东埋深逐渐变浅，西部地下水埋深大于45 m，东部埋深2.5 m左右。

2 渠道防冻胀设计

渠道地处浅层季节冻土区，冬季基土冻胀对渠道混凝土衬砌有很大的破坏作用。渠道防冻胀设计按《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23—2006）要求，对于标准冻深大于0.1 m渠段需进行渠道的设计冻深和冻胀量计算，当渠道的设计冻胀量大于0.01 m时采取抗冻胀措施。

2.1 设计分段

（1）气候分段。根据气象资料分析，选择了石家庄、藁城、晋州、辛集、武强、深县、衡水、冀县8个气象站作为代表站，再按纬度坐标将两相邻站渠段分为相等3段，相邻站的渠段为该站气候控制段，中间段为两站气候控制段。不同渠段取不同气象站的多年最大冻深平均值和多年平均风速，见表1。

表1 各气象站多年平均冻结指数、气温及最大冻深、平均风速

（2）渠道防冻设计分段。根据渠道沿线气候、地质、地下水位、衬砌形式、渠道走向及渠道挖填情况，将总干渠划分为若干计算段，逐段进行防冻计算。

2.2 设计方案

防冻胀设计既要保证工程安全，又要尽量减少工程造价，达到技术可行、经济合理、安全可靠的目的，为此对防冻胀设计考虑3个方案，计算工程量投资，优选最佳方案。其中，方案1：只在渠坡水位变幅区采取防冻措施；方案2：只在渠坡按防冻胀要求采取防冻措施；方案3：全断面采取防冻措施。

2.3 冻胀量计算步骤

根据SL23—2006进行冻胀量的计算。冬季最易破坏的部位是最低蓄水保温水位至设计水位处，按3个方案不同情况分别选取渠坡设计水位（阴坡、阳坡，下同）、渠坡底部、渠底中心作为设计冻胀量的计算点。

2.3.1 设计冻深计算

设计冻深计算公式为：

式中：zd为工程地点的设计冻深(m)；zm为历年最大冻深(m)；ϕw为地下水影响系数；ϕd为考虑日照及遮阴程度影响系数，计算公式为：

式中：ϕi为典型断面日照及遮阴程度修正系数；α为与气候区有关的系数。

2.3.2 基础设计冻深计算

由于混凝土衬砌厚度小于0.5 m，因此基础设计冻深计算公式为：

式中：zf为基础设计冻深（m）；δc为基础板厚度（m）；δw为底板之上冰层的厚度（m）；其余变量含义同上。

2.3.3 冻胀量计算

基础结构下冻土层产生的冻胀量计算公式为：

式中：hf为基础结构下冻土层产生的冻胀量（m）；h为天然冻土层产生的冻胀量（m）；其余变量含义同上。计算成果，见表2。

表2 护砌下冻胀量计算成果

由表2可知，无论阴坡、阳坡还是渠底均需采取防冻胀措施。另外根据42 a长系列来水过程分析，有3 a冬季存在断水情况，采取给渠道临时充水保温措施（含完建期）。在渠道检修期采用临时分段充水保温。基于上述分析，渠道边坡设置保温措施，渠底不再设置保温措施，但应加强渠道防冻胀监测，发现问题及时解决。

2.4 防冻胀措施

当渠道设计最大冻胀量超过混凝土衬砌板允许位移值时，需采取防冻胀措施，一般包括保温和置换2种措施。在地下水位高于渠道设计渠底渠段及河滩地段，采用置换砂砾料措施防冻，并与排水结合考虑，即在防冻部位砂砾层厚度应满足防冻要求，其它部位以及砂砾层组成按排水要求设计；地下水位较低渠段，采取保温板措施防冻。

2.4.1 置换措施设计

置换厚度计算公式为：

式中：Hn为置换厚度（m)；Hd为设计冻深（m）；δ0为衬砌板厚度（m）；ε为置换比，根据规范取值，详见表3。

表3 渠床置换比ε值

经计算，置换厚度为0.3～0.4 m。

2.4.2 保温措施设计

聚苯乙烯泡沫板具有导热系数小、吸水率低、有较好的抗压缩性能等特点，经国内多处水利工程应用，保温效果良好。因此，本段总干渠采用聚苯乙烯泡沫板作为保温材料。

保温板厚度计算公式为：

式中：δx为保温层厚度（m）；R0为工程保温基础设计热阻值(m2·℃/W)；αω为保温材料的导热系数修正系数；δc为基础材料厚度(m)；λx为保温材料在自然状态下的导热系数[W/（m·℃）]；λc为基础材料的导热系数[W/（m·℃）]，根据工程实际情况确定。

选取保温板自然状态下导热系数为0.039 W/（m·℃）、保温板吸水率为2%，查表得导热修正系数为1.10，混凝土导热系数取值为1.50 W/（m·℃），工程保温基础设计热阻值为1.39 m2·℃/W，混凝土板厚度取0.10 m。经计算，得保温板厚度为0.04～0.06 m。

通过投资比较，借鉴南水北调工程施工经验，推荐采用保温板防冻胀措施。东西走向渠道保温板厚度阴坡为0.06 m，阳坡为0.04 m；其它走向渠道渠坡为0.06 m。

3 结语

石津干渠工程渠道地处浅层季节冻土区，冬季基土冻胀对渠道混凝土衬砌有很大的破坏作用。影响渠道冻胀的因素很多，通常有保温材料、防渗效果、渠基土壤特性、地下水位情况、排水情况和施工质量等。当渠道设计最大冻胀量超过混凝土衬砌板允许位移值时，需采取防冻措施，一般包括保温和置换2种措施。在地下水位高于渠道设计渠底渠段及河滩地段，采用置换砂砾料措施防冻，并与排水结合考虑，即在防冻部位砂砾层厚度应满足防冻要求，经计算置换厚度为0.3～0.4 m，其它部位以及砂砾层组成按排水要求设计；地下水位较低渠段采取保温板措施防冻，东西走向渠道保温板厚度阴坡为0.06 m、阳坡为0.04 m，其它走向渠道渠坡保温板厚度为0.06 m。

TV222；TV672

B

1004-7328（2017）02-0055-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.017

2016—12—20

张潇（1981—），男，工程师，主要从事水利水电工程设计施工及运行管理工作。