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第二章渠道保温防冻胀技术应用及工程设计2014年9月 北方季节性冻土地区防渗衬砌渠道保温抗冻胀技术培训 目录 一 渠道保温防冻胀技术应用二 渠道保温防冻胀标准化结构形式及技术要求三 渠道保温防冻胀工程设计四 结论 一 渠道保温防冻胀技术应用 季节性冻土地区 冻胀破坏已成为制约渠道衬砌与防渗工程建设的关键问题 采用混凝土等刚性材料的衬砌渠道 因渠基土反复冻融 膨胀隆起沉降 常常会造成衬砌板开裂 接缝错位 滑坡及坍塌 影响渠坡稳定和防渗效果 缩短工程的使用寿命 我国经过20多年的反复试验和实践后 提出了 允许一定冻胀位移量 的工程设计标准和 适应 削减或消除冻胀 的防冻害原则 防冻胀效果较好 与国外相比 工程造价大大降低 一 渠道保温防冻胀技术应用 通过对我国西北 东北 华北等季节性冻土地区渠道保温防冻胀技术应用情况调查及分析表明 近年来内蒙 宁夏 甘肃 河北 等省 区 结合全国大型灌区续建配套与节水改造项目 在渠道衬砌与防渗工程中已开始广泛应用聚苯板保温防冻胀技术 取得了很好的防冻胀效果 另外 内蒙河套灌区和吉林哈达山灌区近年来开展了聚氨酯高密度保温板在渠道衬砌防冻胀应用的试验研究 结果表明其保温防冻胀效果比聚苯板更为理想 但价格较高 聚苯板 聚氨酯保温板 一 渠道保温防冻胀技术应用 内蒙古河套灌区结合大型灌区续建配套与节水改造工程 对保温防冻胀技术进行了专门的试验研究 结果表明混凝土衬砌渠道铺设聚苯乙烯泡沫板 平均每厘米厚的保温板提高基土温度 阴坡为1 3 1 8 阳坡为0 7 左右 减少冻深值 东西走向渠道阴坡为6 8 11 3cm 阳坡为5 0 11 7cm 南北走向的渠道阴坡为9 5 10 4cm 阳坡为6 9 9 5cm 随保温层厚度的增加冻深呈线性减小 根据试验得出东西走向渠道阴坡上部铺设3cm 4cm 5cm厚保温板可削减冻胀52 97 100 阴坡中部铺设5cm 8cm 10cm保温板可削减冻胀量39 72 82 阳坡上下均铺设3cm厚保温板可基本消除冻胀量 南北走向渠道阴 阳坡上部铺设4cm 下部铺设5cm厚保温板可基本消除冻胀量 渠底铺设5cm厚保温板可削减冻胀量92 5 渠底铺设8cm厚保温板可完全消除冻胀量 一 渠道保温防冻胀技术应用 内蒙古河套灌区在骨干渠道大面积推广应用聚苯板保温防冻胀技术 累计衬砌骨干渠道267km 聚苯板的使用量达到22 3万m3 宁夏引黄灌区在半挖半填 地下水位较低的骨干渠道 采用聚苯板保温防冻胀技术 已累计采用聚苯板防冻胀衬砌渠道160多km 推广应用聚苯板120万m2 甘肃省景电一期灌区 对强冻胀且地下水位高的渠道 采用 预制混凝土板 砂浆过渡层 膜料 聚苯板 保温防冻胀结构形式 通过运行观测 渠道衬砌效果整体很好 河北石津灌区在军干渠的渠首至贾辛庄段采用 现浇混凝土板 聚苯板 防渗保温防冻胀结构形式 2002年完工 通过10年的运行观测 渠道衬砌效果整体较好 防冻胀效果较为理想 一 渠道保温防冻胀技术应用 山西省潇河灌区民丰三支渠 在渠道衬砌防渗工程中采用 预制混凝土板 砂浆过渡层 聚苯板 膜料 保温防冻胀结构形式 综合对比 防冻胀效果较好 吉林省白沙滩灌区 主干渠采用 现浇混凝土板 复合土工膜 聚苯板 保温防冻胀结构形式 通过运行观测 渠道保温防冻胀效果整体很好 无冻胀破坏现象 辽宁省东港灌区开展了保温防冻胀试验 保温防冻胀结构采用 10cm厚现浇混凝土板 聚苯板 渠底及阴坡8cm厚 阳坡6cm厚 试验结果表明聚苯板保温防冻胀措施有很好的防冻胀效果 一 渠道保温防冻胀技术应用 内蒙河套灌区杨家和干渠保温防冻胀工程 已运行7年 一 渠道保温防冻胀技术应用 内蒙河套灌区永济干渠保温防冻胀工程 已运行6年 一 渠道保温防冻胀技术应用 宁夏青铜峡灌区秦渠保温防冻胀工程 一 渠道保温防冻胀技术应用 甘肃友联灌区三清干渠保温防冻胀工程 一 渠道保温防冻胀技术应用 甘肃景电一期灌区西干八支渠保温防冻胀工程 二 渠道保温防冻胀标准化结构形式和适用范围及条件 通过对北方大型灌区渠道衬砌保温防冻胀技术应用现状的调研 总结工程实例中的成功经验 结合理论分析 提出了混凝土衬砌防渗渠道保温防冻胀最佳结构形式 1 渠道保温防冻胀标准化结构形式 预制混凝土板 砂浆过渡层 防渗膜料 保温板 该结构形式具有防渗防冻胀效果好 适用范围广 经济实用等特点 在大型灌区续建配套与节水改造工程中 可以作为渠道防渗保温防冻胀标准化结构形式进行试验和示范推广 现浇混凝土板 复合土工膜 一布一膜或两布一膜 保温板 二 渠道保温防冻胀标准化结构形式及技术要求 1 渠道保温防冻胀标准化结构形式 预制混凝土板 砂浆过渡层 防渗膜料 保温板防冻胀结构形式 二 渠道保温防冻胀标准化结构形式及适用条件和范围 1 渠道保温防冻胀标准化结构形式 现浇混凝土板 复合土工膜 保温板防冻胀结构形式 二 渠道保温防冻胀标准化结构形式和适用范围及条件 渠基土质为冻胀性土 渠基土冻胀级别为 级及以上或冻胀量5cm以上 冻胀破坏较为严重 砂砾石 粗砂等非冻胀材料缺少且价格较高的季节性冻土地区 采用混凝土等刚性衬砌防渗渠道 渠道宜为梯形 弧形坡脚梯形 弧底梯形断面形式 大型渠道宜采用梯形断面 中小型渠道宜采用弧形坡脚梯形或弧底梯形断面 当采用梯形断面时 在坡脚处应设置现浇混凝土齿墙 现浇或预制混凝土板均应设置伸缩缝 伸缩缝宽度为2 3cm 并采用渠道专用填缝材料填充 预制混凝土板应按模数每6 8m设置一伸缩缝 现浇混凝土板每3 5m设置一伸缩缝 防渗膜料应采用聚乙烯膜料 PE塑料膜 及相应的复合土工膜 当采用PE塑料膜时 其上部应设砂浆过渡层 如果采用复合土工膜 土工织物一侧可不设砂浆过渡层 2 适用范围及条件 二 渠道保温防冻胀标准化结构形式和适用范围及条件 保温材料可采用聚苯乙烯泡沫塑料保温板 简称聚苯板 或硬质聚氨酯保温板 聚苯板的密度 20kg m3 吸水率 浸水96h 2 0 体积百分数 压缩强度 压缩10 50kPa 弯曲强度 180kPa 尺寸稳定性 40 70 1 5 导热系数 0 04W m K 为了防止地下水的扬压力对保温材料和衬砌结构的破坏 地下水位应低于渠底保温层以下 或采用排水措施将地下水位降低到渠底保温层以下 当地下水位较高且排水困难时 渠底不宜进行衬砌防渗 为了满足渠坡的最小安全坡比和各层材料滑动坡比的要求 渠坡的边坡系数宜在1 2 1 1 33之间 聚苯板厚度宜在3cm 12cm之间 其厚度应按照不同走向的渠坡 阴坡 阳坡 和渠底采用热工计算确定 2 适用范围及条件 三 渠道保温防冻胀工程设计 1 工程设计内容 渠道衬砌与防渗工程设计是在调查 收集 整理工程所在地的水文气象 地质和地形条件 建筑材料和施工条件 社会经济状况 灌溉用水等资料的基础上 进行渠道断面 衬砌防渗结构和防冻胀设计等 三 渠道保温防冻胀工程设计 1 工程设计内容 渠道断面设计包括横断面设计和纵断面设计 渠道横断面设计是在渠道设计流量基础上 采用明渠均匀流公式对渠道进行水力计算 确定渠道的断面尺寸 并根据地质和地形条件进行渠道边坡及渠基的稳定设计 渠道纵断面设计是根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置 先确定不同桩号处的设计水位高程 再根据设计水位确定渠底高程 堤顶高程 最小水位等 衬砌防渗结构设计包括衬砌防渗材料的选择 防渗结构形式的确定和结构尺寸的设计等 防冻胀设计包括设计冻深计算 冻胀量计算 防冻胀结构形式的确定及设计等 三 渠道保温防冻胀工程设计 1 工程设计内容 渠道保温防冻胀工程设计时 渠道断面设计和衬砌防渗结构设计步骤和方法与一般渠道工程设计相同 不同的是在防冻胀设计中确定保温防冻胀结构后需要计算保温板厚度 因此 下面主要介绍几种保温板厚度的计算方法 三 渠道保温防冻胀工程设计 2 采用设计冻深估算保温板厚度 该方法是根据工程地点的负气温 基土土质 地下水埋深 表面接受日照及遮阴程度等影响因素计算设计冻深 然后根据设计冻深的1 10 1 15来估算保温板的厚度 三 渠道保温防冻胀工程设计 2 采用设计冻深估算保温板厚度 设计冻深的计算 设计冻深指计算点的冻结深度设计取用值 设计冻深可按式 2 1 计算 2 1 式中 为渠床某部位的设计冻深 cm 为历年最大冻深 cm 为考虑日照及遮阴程度的修正系数 为地下水影响系数 三 渠道保温防冻胀工程设计 2 采用设计冻深估算保温板厚度 历年最大冻深 历年最大冻深指渠系工程所在地或气温条件相近气象台 站 实测的多年最大冻深值 统计资料系列不宜短于20年 对于小型渠道衬砌与防渗工程 当实测冻深资料短于20年或附近没有条件相近的气象台 站 冻深资料时 最大冻深可取图2 2中的标准冻深值 三 渠道保温防冻胀工程设计 2 采用设计冻深估算保温板厚度 考虑日照及遮阴程度的冻深修正系数 考虑日照及遮阴程度的冻深修正系数 d 可根据工程所在纬度及渠道轴线走向 按式 2 2 计算 2 2 式中 i为典型断面 渠道走向N S 底宽与深度之比B H 1 0 坡比m 1 0 某部位的日照及遮阴程度修正系数 阴 阳面中部的 i值可由图2 3查得 底面中部的 i值可由图2 4查得 为系数 可根据工程所在地的气候区 由图2 5查得 计算断面的轴线走向 断面形状及计算点的位置 由表2 1查得 若渠坡较高或上部有遮阴作用 应考虑额外的遮阴影响 三 渠道保温防冻胀工程设计 2 采用设计冻深估算保温板厚度 地下水对冻深的影响系数 地下水对冻深的影响系数 w 可按式 2 3 计算 2 3 式中 Zwi为计算点的冻前地下水水位深度 m 可取计算点地面 开挖面 至当地冻结前地下水水位的距离 Zwo为邻近气象台 站 的冻前地下水水位埋深 m 当黏土 粉土Zwo 3 0m 细粒土质砂Zwo 2 5m 含细粒土砂Zwo 2 0m时 可取黏土 粉土Zwo 3 0m 细粒土质砂Zwo 2 5m 含细粒土砂Zwo 2 0m 为系数 可按表2 2取值 表2 2 值表 三 渠道保温防冻胀工程设计 2 采用设计冻深估算保温板厚度 保温板厚度的估算 计算出设计冻深Zd后 按照公式 2 4 估算保温板的厚度 c 2 4 式中 c为保温板的厚度 m 三 渠道保温防冻胀工程设计 2 采用设计冻深估算保温板厚度 采用该方法确定保温层厚度的方法使用简便 但是因为渠道基土冻深的大小与基土含水量有关 在同样土质和气候条件下 没有地下水补给的土层冻结深度是有地下水补给土层的3倍多 以土层冻深为标准来选取保温层厚度与实际情况的偏差较大 只适用于资料缺乏的中小型渠道确定保温板厚度时使用 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 基于热阻等效原理计算保温层厚度是假设渠道基土与大气热交换过程中 保温层下暖土层与天然冻土层下暖土层的温度改变对热量交换的影响较小而忽略不计 则当保温层下温度刚好为0 时 天然冻土层在冻结过程中的阻热作用应与保温层的阻热作用等效 即保温层的总热阻与天然冻土层的总热阻相等 该方法适用于大中型渠道确定保温板厚度时使用 计算时分保温板下不保留冻土层和保留一定冻土层两种情况 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 保温层下不保留冻土层的保温板厚度计算 当保温层下不保留冻土层时 保温板厚度按公式 2 5 计算 2 5 式中 b为保温板的厚度 m w为保温板导热系数的修正系数 b为保温板在自然状态下的导热系数 W m R0为设计热阻 m2 W c为衬砌层厚度 衬砌板和砂浆过渡层厚度 m c为衬砌材料的导热系数 W m 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 保温层下不保留冻土层的保温板厚度计算 保温板导热系数的修正系数 当保温材料采用聚苯板时 其导热系数的修正系数 w可按表2 3选取 当体积吸水率介于表中给定值之间时 可通过内插取值 表2 3保温用聚苯板导热系数的修正系数 w值 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 保温层下不保留冻土层的保温板厚度计算 设计热阻 设计热阻可采用公式 2 6 计算 2 6 式中 R0为设计热阻 m2 W I0为工程地点的冻结指数 指冻结期日平均负气温连续累积值的绝对值 d d为考虑日照及遮阴程度的修正系数 按公式 2 2 计算 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 保温层下保留一定冻土层的保温板厚度计算 渠道保温防冻胀结构在衬砌结构不破坏的情况下 可允许保留一定的冻土层 这样可以降低工程造价 提高防冻胀设计的经济合理性 当保温层下保留一定冻土层时 保温板厚度按公式 2 7 计算 式中 n为保温层下保留一定冻土层时保温板的厚度 m w为保温板导热系数的修正系数 可按表2 3选取 b为保温板在自然状态下的导热系数 W m Rn为保温层下保留一定冻土层时的设计热阻 m2 W n为衬砌层厚度 衬砌板和砂浆过渡层厚度 m c为衬砌材料的导热系数 W m 2 7 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 保温层下保留一定冻土层的保温板厚度计算 保温层下保留一定冻土层时的设计热阻可按公式 2 8 计算 式中 Rn为保温层下保留一定冻土层时的设计热阻 m2 W R0为设计热阻 m2 W n为设计要求消除冻土层占天然冻土层厚度的比例 Zn为设计要求消除冻土层厚度 m Z为天然冻土层厚度 m 天然冻土层厚度Z可以取设计冻深Zd值 按公式 2 1 计算 也可以选用试验观测或当地气象资料的统计值 Z1为保温板下设计允许保留冻土层厚度 m 2 8 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 保温层下保留一定冻土层的保温板厚度计算 保温板下设计允许保留冻土层厚度Z1可根据渠道允许法向位移 h 冻胀量 按公式 2 9 计算 式中 h为渠道衬砌结构允许法向位移 冻胀量 m P为荷载修正系数 由于渠道混凝土衬砌板为薄壳结构加之聚苯板质量很轻 可忽略荷载的影响 即荷载修正系数可取1 f为土的平均冻胀强度 是冻胀量与冻土层 冻深 冻胀量 之比 2 9 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 保温层下保留一定冻土层的保温板厚度计算 渠道衬砌结构允许法向位移 冻胀量 h与衬砌板大小 衬砌板间的约束程度 衬砌板与基土间的冻胀力 冻胀不均匀度和渠道边坡基土的稳定性等有关 允许法向位移值是指衬砌板在冻胀融沉作用下 不产生累积冻胀或残余位移的允许值 产生此值时渠道衬砌仍能满足设计和正常运用的要求 三 渠道保温防冻胀工程设计 3 基于热阻等效原理计算保温板厚度 保温层下保留一定冻土层的保温板厚度计算 表2 4渠道衬砌结构允许法向位移值 h 单位 cm 土的平均冻胀强度f与地下水位埋深有关 按冻结期平均地下水埋深的大小 分为地下水埋深较深 地下水埋深较浅和由深埋到浅埋过渡三种情况 分别以地下水对基土冻结无明显影响的临界深度Z0为参照值 见表2 6 按照表2 5进行划分 表2 5地下水埋深的划分 表2 6Z0值表 当地下水浅埋时 平均冻胀强度按式 2 1