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所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:150

副标题#e#
　　渠道刚性衬砌防冻胀结构选择
　　刘锋
　　宁夏宁西供水有限公司
　　摘要：渠道刚性衬砌冻胀破坏与基土冻胀的不均匀性、衬砌受到的约束及其抵抗或适应基土冻胀变形的能力等因素有关。选择防冻胀衬砌结构，应从降低基土冻胀的不均匀性、减少衬砌结构的约束条件、提高衬砌结构的强度和适应变位能力等方面考虑。通过对衬砌结构发生冻胀破坏的原因分析，针对渠道不同的水文地质条件和运用情况，提出相应的防冻胀衬砌结构。
　　关键词：渠道防冻胀衬砌结构选择
　　在北方季节冻土区，渠道衬砌如不采取必要的防冻胀措施，常发生基土冻胀破坏。主要表现形式有衬砌鼓胀裂缝、隆起架空、整体上抬、板块错位，严重的还会造成衬砌破碎或滑塌。渠道衬砌的冻胀破坏，导致其失去防渗减糙作用，增大渠道输水损失，降低渠道水利用系数。通过渠道衬砌冻胀破坏调查与实际观测分析，渠道刚性衬砌基土冻胀破坏，与基土冻胀位移量大小及其不均匀程度、衬砌结构受约束条件、衬砌结构抵抗或适应基土冻胀变形的能力等因素有关。为避免衬砌发生冻胀破坏，保证渠道衬砌的防渗减糙作用，应针对不同的基土冻胀情况，采取相应的衬砌结构形式。
　　一、渠道刚性衬砌发生基土冻胀破坏的影响因素
　　1．基土冻胀及其不均匀性
　　基土产生较大的冻胀量是造成衬砌破坏的必要条件，但不是充分条件。也就是说，基土发生冻胀并不一定造成衬砌破坏，基土冻胀还必须具有一定的不均匀性。基土发生超出衬砌结构所能适应的不均匀冻胀才是造成衬砌发生冻胀破坏的最基本因素素。基土之所以发生不均匀冻胀主要有以下几个原因：
　　(1)基土水分条件沿渠坡的分布不同。不同的渠坡高度，距地下水位的距离不同，造成基土含水量和在冻结过程中的水分补给条件不同；衬砌结构的分缝止水效果差或被破坏，发生渗漏，造成基土局部含水量的增大。因此，在基土冻结时即发生不均匀冻胀。
　　(2)基土土质的不同。不同的渠段或不同的渠坡高度，一般会出现不同的基土土质，不同的基土具有不同的冻胀敏感程度。
　　(3)受日照与遮荫不同。渠道断面各部位，由于日照与遮荫条件不同，形成不同的冻深，引起不均匀冻胀。
　　(4)保温效果的不同。由结构性要求衬砌的不同部位具有不同的厚度，或运用条件要求不同的部位具有不同的裸露程度，如此对基土形成了不同的保温效果，造成基土冻土层厚度的不同，引起不均匀冻胀。
　　(5)冬季输水渠道输水水位上下冻结条件的不同，造成水面上下渠坡具有不同的冻胀。
　　2．衬砌混凝土发生基土冻胀位移时受到约束
　　衬砌基土发生冻胀时，衬砌结构受到约束作用，使其不能随着基土冻胀而发生位移，造成破坏。衬砌板受到的约束主要有以下几个方面：
　　(1)冬季不输水渠道渠坡对渠底、渠底对渠坡的约束。冬季不输水梯形渠道，在坡脚部位，渠坡与渠底的冻胀位移方向不同，使其互相约束，不能适应基土冻胀变位。
　　(2)衬砌板与基土冻结力的约束。在基土水分条件较高的情况下，基土冻结首先把衬砌板与基土冻结在一起，在基土发生不均匀冻胀时，冻结力产生约束作用，限制了衬砌机构的自由位移。
　　(3)冬季输水冰盖约束。冬季输水渠道在形成冰盖的情况下，冰盖将约束渠道衬砌结构的冻胀变位。
　　(4)衬砌板块之间的约束。衬砌板块之间相互挤靠形成约束。
　　3．衬砌混凝土板抵抗或适应基土冻胀变形能力
　　在衬砌基土的冻胀性确定以后，衬砌是否发生基土冻胀破坏，主要决定于衬砌混凝土板抵抗或适应基土冻胀变位的能力。其影响因素主要有以下几个方面：
　　(1)衬砌板的结构形式及混凝土强度。衬砌板的结构形式整体性强、强度较高时，在基土冻胀作用下，不易发生断裂等结构性破坏，抵抗冻胀的能力较大。整体性强的衬砌结构如加肋板、中厚板、加厚板、楔形板等。
　　(2)#p#副标题#e#衬砌板分块大小。衬砌混凝土板分块较小柔性较好时，在基土冻胀作用下，容易适应基土冻胀变形，而不发生混凝土板结构破坏。柔性较好的衬砌主要为预制混凝土板衬砌。
　　4．衬砌结构对基土冻胀的影响
　　根据引起基土冻胀的土、水、温3个条件和压力对基土冻胀的约束作用，在基土土质确定以后，衬砌结构对基土冻胀的影响作用主要表现在以下3个方面：
　　(1)衬砌结构的保温作用。衬砌的保温性能好，可以减少冻深，从而达到减少冻胀量的目的。混凝土衬砌板导热系数较大，且厚度较薄，其对基土的保温作用很小。而设置保温层的保温衬砌结构对减少直至消除基土冻深和冻胀量具有显著的效果，有较好的防基土冻胀性能。
　　(2)衬砌的防渗作用。衬砌的防渗性能好，输水时可以减少向渠基的渗水，从而减少因渠道渗水而引起的基土冻胀。单纯用混凝土板防渗时，要求混凝土板有较强的抗渗性，较大的板块尺寸，混凝土板块之间的分缝处有良好的止水性。板块较小的衬砌结构(如预制混凝土板衬砌)分缝止水不易做好，防渗性能较差。混凝土板加土工膜防渗衬砌结构具有较强的防渗性。
　　(3)衬砌自重对基土的压力及约束作用。有关室内试验研究表明，压力对基土冻胀有一定的抑制作用。但作为渠道衬砌的混凝土厚度较薄，其自身重力对基土冻胀的影响作用甚微，所以可以忽略不计。衬砌对基土冻胀的约束作用，是基土不均匀冻胀后，衬砌板对冻胀突出点的压力作用，此作用由于板块的重量及相邻板块的影响作用比较集中，对基土冻胀的抑制作用比较明显。
　　二、防冻胀衬砌结构的选择
　　1．防冻胀衬砌结构选择的原则
　　由上述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，选择防冻胀衬砌结构应从以下3方面人手。
　　(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。防渗衬砌，在刚性衬砌下铺设塑膜防渗层，减少渗水，降低基土水分含量，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，应将坡脚做成圆弧形式，改变冻胀位移的方向，使衬砌受力均匀。防冻胀衬砌断面有U形、抛物线形、弧底梯形、梯形断面弧形坡脚等断面形式。对于冬季输水冰盖约束情况，应从设计方面尽量避免冰盖的形成；若不可避免的要形成冰盖，则应该采取减少冬季输水位(冰盖)上下不均匀冻胀的方法解决。对于冻结力的约束，应采取消减冻结力的措施。衬砌板下铺设保温层或防渗层，均会起到消减冻结力的作用。
　　(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。但是，这种结构会使衬砌费用增大。减小衬砌分块可以提高衬砌适应基土冻胀变形的能力，但分块过小会加大砌缝止水难度。因此，选择哪种结构，必须根据实际情况，以经济合理的原则选用。
　　2．渠道防冻胀衬砌结构的选择
　　(1)渠道防冻胀衬砌断面结构
　　选择渠道防冻胀衬砌断面形式，应考虑改善衬砌的受力条件，减少不均匀变位等因素。大中型渠道宜采用梯形断面弧形坡脚，小型渠道宜采用U形、抛物线形、梯形断面弧形渠底等结构形式。
　　(2)高填方渠道防冻胀衬砌结构形式
　　高填方渠道，一般地下水位较低，渠堤基土含水量较小，在没有外来水分补给的情况下，不会发生较大的基土冻胀。所以，衬砌结构应在满足防冲及糙率要求的同时，作好渠道防渗，以避免在输水过程中，向基土渗水，增加基土的含水量，造成基土冻胀量的增加。应采用防渗衬砌结构，即衬砌#p#副标题#e#混凝土板下加设防渗层。根据基土冻胀量的估算结果，按其估计可能发生的基土不均匀冻胀情况，确定采用衬砌混凝土板的结构形式(加肋板、中厚板、楔形板等)、预制混凝土板衬砌或现浇混凝土衬砌以及板块尺寸。
　　(3)深挖方渠道防冻胀衬砌结构形式
　　深挖方渠道，一般衬砌点距地下水位的距离较近，且基土含水量较大，容易发生较大的冻胀量。当地下水埋深高于渠底，需向渠内排水时，衬砌结构在满足防冲和糙率要求的情况下，防止基土冻胀为最主要问题。当工程地点砂砾料源充足时，宜结合排水采用基础换填衬砌，否则，需采用保温衬砌结构，即混凝土衬砌板下加保温层衬砌结构。当地下水埋深相对较大时，衬砌结构应同时满足防渗要求，应采用保温防渗衬砌结构。保温防渗体宜采用高分子防渗保温材料(SDM)，或聚苯板与塑料膜防渗保温组合结构。混凝土衬砌板的结构宜采用现浇混凝土板。
　　(4)半挖半填渠道防冻胀衬砌结构形式
　　对于半挖半填渠道，应根据具体情况采用防渗衬砌结构或防渗保温衬砌结构。当地下水埋深较大，渠堤基土为砂性土时，可采用防渗衬砌结构；当基土为黏性土，地下水埋深较浅时，宜采用防渗保温衬砌结构。