1、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用和工程設(shè)計基礎(chǔ) 北方季節(jié)性凍土地區(qū)防滲襯砌渠道保溫抗凍脹技術(shù)培訓(xùn) 目 錄一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 二、渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)要求 三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 四、結(jié)論 一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 季節(jié)性凍土地區(qū)，凍脹破壞已成為制約渠道襯砌與防滲工程建設(shè)的關(guān)鍵問題。采用混凝土等剛性材料的襯砌渠道，因渠基土反復(fù)凍融，膨脹隆起沉降，常常會造成襯砌板開裂，接縫錯位、滑坡及坍塌，影響渠坡穩(wěn)定和防滲效果，縮短工程的使用壽命。我國經(jīng)過20多年的反復(fù)試驗和實踐后，提出了“允許一定凍脹位移量”的工程設(shè)計標(biāo)準和“適應(yīng)、削減或消除凍脹”的防凍害原則，防凍脹效果較好，與國外相比，工

2、程造價大大降低。一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 通過對我國西北、東北、華北等季節(jié)性凍土地區(qū)渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用情況調(diào)查及分析表明，近年來內(nèi)蒙、寧夏、甘肅、河北、等?。▍^(qū)），結(jié)合全國大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目，在渠道襯砌與防滲工程中已開始廣泛應(yīng)用聚苯板保溫防凍脹技術(shù)，取得了很好的防凍脹效果。另外，內(nèi)蒙河套灌區(qū)和吉林哈達山灌區(qū)近年來開展了聚氨酯高密度保溫板在渠道襯砌防凍脹應(yīng)用的試驗研究，結(jié)果表明其保溫防凍脹效果比聚苯板更為理想，但價格較高。聚苯板聚氨酯保溫板一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)結(jié)合大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，對保溫防凍脹技術(shù)進行了專門的試驗研究，結(jié)果表明混凝土襯砌渠道鋪

3、設(shè)聚苯乙烯泡沫板，平均每厘米厚的保溫板提高基土溫度，陰坡為1.8，陽坡為0.7左右；減少凍深值，東西走向渠道陰坡為，陽坡為，南北走向的渠道陰坡為，陽坡為，隨保溫層厚度的增加凍深呈線性減小。根據(jù)試驗得出東西走向渠道陰坡上部鋪設(shè)3cm、4cm、5cm厚保溫板可削減凍脹52%、97%、100% ；陰坡中部鋪設(shè)5cm、8cm、10cm保溫板可削減凍脹量39%、72%、82%。陽坡上下均鋪設(shè)3cm厚保溫板可基本消除凍脹量。南北走向渠道陰、陽坡上部鋪設(shè)4cm、下部鋪設(shè)5cm 厚保溫板可基本消除凍脹量，渠底鋪設(shè)5cm厚保溫板可削減凍脹量92.5% ；渠底鋪設(shè)8cm厚保溫板可完全消除凍脹量。一、渠道保溫防凍脹

4、技術(shù)應(yīng)用 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)在骨干渠道大面積推廣應(yīng)用聚苯板保溫防凍脹技術(shù)，累計襯砌骨干渠道267km ，聚苯板的使用量達到萬m3。寧夏引黃灌區(qū)在半挖半填、地下水位較低的骨干渠道，采用聚苯板保溫防凍脹技術(shù)，已累計采用聚苯板防凍脹襯砌渠道160多km，推廣應(yīng)用聚苯板120萬m2。甘肅省景電一期灌區(qū)，對強凍脹且地下水位高的渠道，采用“預(yù)制混凝土板+砂漿過渡層+膜料+聚苯板”保溫防凍脹結(jié)構(gòu)形式，通過運行觀測，渠道襯砌效果整體很好。河北石津灌區(qū)在軍干渠的渠首至賈辛莊段采用“現(xiàn)澆混凝土板+聚苯板”防滲保溫防凍脹結(jié)構(gòu)形式，2002年完工，通過10年的運行觀測，渠道襯砌效果整體較好，防凍脹效果較為理想。 一、渠道

5、保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 山西省瀟河灌區(qū)民豐三支渠，在渠道襯砌防滲工程中采用“預(yù)制混凝土板+砂漿過渡層+聚苯板+膜料”保溫防凍脹結(jié)構(gòu)形式，綜合對比，防凍脹效果較好。 吉林省白沙灘灌區(qū)，主干渠采用“現(xiàn)澆混凝土板+復(fù)合土工膜+聚苯板”保溫防凍脹結(jié)構(gòu)形式，通過運行觀測，渠道保溫防凍脹效果整體很好，無凍脹破壞現(xiàn)象。 遼寧省東港灌區(qū)開展了保溫防凍脹試驗，保溫防凍脹結(jié)構(gòu)采用“10cm厚現(xiàn)澆混凝土板+聚苯板（渠底及陰坡8cm厚，陽坡6cm厚）”，試驗結(jié)果表明聚苯板保溫防凍脹措施有很好的防凍脹效果。 一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 內(nèi)蒙河套灌區(qū)楊家和干渠保溫防凍脹工程（已運行7年） 一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 內(nèi)蒙河套

6、灌區(qū)永濟干渠保溫防凍脹工程（已運行6年） 一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 寧夏青銅峽灌區(qū)秦渠保溫防凍脹工程 一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 甘肅友聯(lián)灌區(qū)三清干渠保溫防凍脹工程一、渠道保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用 甘肅景電一期灌區(qū)西干八支渠保溫防凍脹工程 二、渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式和適用范圍及條件 通過對北方大型灌區(qū)渠道襯砌保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研，總結(jié)工程實例中的成功經(jīng)驗，結(jié)合理論分析，提出了混凝土襯砌防滲渠道保溫防凍脹最佳結(jié)構(gòu)形式。1. 渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式 預(yù)制混凝土板+砂漿過渡層+防滲膜料+保溫板 該結(jié)構(gòu)形式具有防滲防凍脹效果好、適用范圍廣、經(jīng)濟實用等特點，在大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工

7、程中，可以作為渠道防滲保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式進行試驗和示范推廣?，F(xiàn)澆混凝土板+復(fù)合土工膜（一布一膜或兩布一膜）+保溫板二、渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)要求 1. 渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式 預(yù)制混凝土板+砂漿過渡層+防滲膜料+保溫板防凍脹結(jié)構(gòu)形式 二、渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式及適用條件和范圍 1. 渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式 現(xiàn)澆混凝土板+復(fù)合土工膜+保溫板防凍脹結(jié)構(gòu)形式 二、渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式和適用范圍及條件渠基土質(zhì)為凍脹性土，渠基土凍脹級別為級及以上或凍脹量5cm以上，凍脹破壞較為嚴重，砂礫石、粗砂等非凍脹材料缺少且價格較高的季節(jié)性凍土地區(qū)；采用混凝土等剛性襯砌防

8、滲渠道，渠道宜為梯形、弧形坡腳梯形、弧底梯形斷面形式，大型渠道宜采用梯形斷面，中小型渠道宜采用弧形坡腳梯形或弧底梯形斷面；當(dāng)采用梯形斷面時，在坡腳處應(yīng)設(shè)置現(xiàn)澆混凝土齒墻；現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土板均應(yīng)設(shè)置伸縮縫，伸縮縫寬度為2-3cm，并采用渠道專用填縫材料填充。預(yù)制混凝土板應(yīng)按模數(shù)每68m設(shè)置一伸縮縫，現(xiàn)澆混凝土板每35m設(shè)置一伸縮縫；防滲膜料應(yīng)采用聚乙烯膜料（PE塑料膜）及相應(yīng)的復(fù)合土工膜。當(dāng)采用PE塑料膜時，其上部應(yīng)設(shè)砂漿過渡層；如果采用復(fù)合土工膜，土工織物一側(cè)可不設(shè)砂漿過渡層；2. 適用范圍及條件 二、渠道保溫防凍脹標(biāo)準化結(jié)構(gòu)形式和適用范圍及條件保溫材料可采用聚苯乙烯泡沫塑料保溫板（簡稱聚苯板

9、）或硬質(zhì)聚氨酯保溫板。聚苯板的密度20kgm3，吸水率（浸水96h）(體積百分數(shù))，壓縮強度(壓縮10)50kPa，彎曲強度180kPa，尺寸穩(wěn)定性-4070，導(dǎo)熱系數(shù)0.04 W(m.K) ；為了防止地下水的揚壓力對保溫材料和襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，地下水位應(yīng)低于渠底保溫層以下，或采用排水措施將地下水位降低到渠底保溫層以下；當(dāng)?shù)叵滤惠^高且排水困難時，渠底不宜進行襯砌防滲；為了滿足渠坡的最小安全坡比和各層材料滑動坡比的要求，渠坡的邊坡系數(shù)宜在1:2之間；聚苯板厚度宜在3cm12cm之間，其厚度應(yīng)按照不同走向的渠坡（陰坡、陽坡）和渠底采用熱工計算確定。 2. 適用范圍及條件 三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計

10、 1.工程設(shè)計內(nèi)容 渠道襯砌與防滲工程設(shè)計是在調(diào)查、收集、整理工程所在地的水文氣象、地質(zhì)和地形條件、建筑材料和施工條件、社會經(jīng)濟狀況、灌溉用水等資料的基礎(chǔ)上，進行渠道斷面、襯砌防滲結(jié)構(gòu)和防凍脹設(shè)計等。三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 1.工程設(shè)計內(nèi)容 渠道斷面設(shè)計包括橫斷面設(shè)計和縱斷面設(shè)計。渠道橫斷面設(shè)計是在渠道設(shè)計流量基礎(chǔ)上，采用明渠均勻流公式對渠道進行水力計算，確定渠道的斷面尺寸，并根據(jù)地質(zhì)和地形條件進行渠道邊坡及渠基的穩(wěn)定設(shè)計。渠道縱斷面設(shè)計是根據(jù)灌溉水位要求確定渠道的空間位置，先確定不同樁號處的設(shè)計水位高程，再根據(jù)設(shè)計水位確定渠底高程、堤頂高程、最小水位等。襯砌防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計包括襯砌防滲材料的

11、選擇、防滲結(jié)構(gòu)形式的確定和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計等。防凍脹設(shè)計包括設(shè)計凍深計算、凍脹量計算、防凍脹結(jié)構(gòu)形式的確定及設(shè)計等。 三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 1.工程設(shè)計內(nèi)容 渠道保溫防凍脹工程設(shè)計時，渠道斷面設(shè)計和襯砌防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟和方法與一般渠道工程設(shè)計相同，不同的是在防凍脹設(shè)計中確定保溫防凍脹結(jié)構(gòu)后需要計算保溫板厚度。因此，下面主要介紹幾種保溫板厚度的計算方法。 三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 2.采用設(shè)計凍深估算保溫板厚度 該方法是根據(jù)工程地點的負氣溫、基土土質(zhì)、地下水埋深、表面接受日照及遮陰程度等影響因素計算設(shè)計凍深，然后根據(jù)設(shè)計凍深的1/101/15來估算保溫板的厚度。 三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計

12、 2.采用設(shè)計凍深估算保溫板厚度 設(shè)計凍深的計算 設(shè)計凍深指計算點的凍結(jié)深度設(shè)計取用值。設(shè)計凍深可按式（2-1）計算： （2-1）式中： 為渠床某部位的設(shè)計凍深，cm； 為歷年最大凍深，cm； 為考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù)； 為地下水影響系數(shù)。三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 2.采用設(shè)計凍深估算保溫板厚度 歷年最大凍深 歷年最大凍深指渠系工程所在地或氣溫條件相近氣象臺(站)實測的多年最大凍深值。統(tǒng)計資料系列不宜短于20年。對于小型渠道襯砌與防滲工程，當(dāng)實測凍深資料短于20年或附近沒有條件相近的氣象臺(站)凍深資料時，最大凍深可取圖2-2中的標(biāo)準凍深值。 三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 2.采用設(shè)計凍

13、深估算保溫板厚度 考慮日照及遮陰程度的凍深修正系數(shù) 考慮日照及遮陰程度的凍深修正系數(shù)d，可根據(jù)工程所在緯度及渠道軸線走向，按式（2-2）計算： （2-2） 式中：i為典型斷面（渠道走向N-S，底寬與深度之比，坡比）某部位的日照及遮陰程度修正系數(shù)，陰、陽面中部的i值可由圖2-3查得，底面中部的i值可由圖2-4查得； 為系數(shù)，可根據(jù)工程所在地的氣候區(qū)（由圖2-5查得）、計算斷面的軸線走向、斷面形狀及計算點的位置，由表2-1查得。若渠坡較高或上部有遮陰作用，應(yīng)考慮額外的遮陰影響。三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 2.采用設(shè)計凍深估算保溫板厚度 地下水對凍深的影響系數(shù)地下水對凍深的影響系數(shù)w，可按式（2-3

14、）計算：（2-3）式中：Zwi為計算點的凍前地下水水位深度，m，可取計算點地面（開挖面）至當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)前地下水水位的距離； Zwo為鄰近氣象臺(站)的凍前地下水水位埋深，m，當(dāng)黏土、粉土Zwo、細粒土質(zhì)砂Zwo、含細粒土砂Zwo時，可取黏土、粉土Zwo，細粒土質(zhì)砂Zwo，含細粒土砂Zwo； 為系數(shù)，可按表2-2取值。 土類黏土、粉土細粒土質(zhì)砂含細粒土砂 0.79 0.63 0.42 表2-2 值表三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 2.采用設(shè)計凍深估算保溫板厚度 保溫板厚度的估算 計算出設(shè)計凍深Zd后，按照公式（2-4）估算保溫板的厚度c。 （2-4） 式中：c為保溫板的厚度，m。 三、渠道保溫防凍脹工程

15、設(shè)計 2.采用設(shè)計凍深估算保溫板厚度 采用該方法確定保溫層厚度的方法使用簡便，但是因為渠道基土凍深的大小與基土含水量有關(guān)，在同樣土質(zhì)和氣候條件下，沒有地下水補給的土層凍結(jié)深度是有地下水補給土層的3倍多，以土層凍深為標(biāo)準來選取保溫層厚度與實際情況的偏差較大，只適用于資料缺乏的中小型渠道確定保溫板厚度時使用。三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 3.基于熱阻等效原理計算保溫板厚度 基于熱阻等效原理計算保溫層厚度是假設(shè)渠道基土與大氣熱交換過程中，保溫層下暖土層與天然凍土層下暖土層的溫度改變對熱量交換的影響較小而忽略不計，則當(dāng)保溫層下溫度剛好為0時，天然凍土層在凍結(jié)過程中的阻熱作用應(yīng)與保溫層的阻熱作用等效，即保

16、溫層的總熱阻與天然凍土層的總熱阻相等。該方法適用于大中型渠道確定保溫板厚度時使用。計算時分保溫板下不保留凍土層和保留一定凍土層兩種情況。三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 3.基于熱阻等效原理計算保溫板厚度保溫層下不保留凍土層的保溫板厚度計算 當(dāng)保溫層下不保留凍土層時，保溫板厚度按公式（2-5）計算。（2-5）式中：b為保溫板的厚度，m； w為保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)； b為保溫板在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m）； R0為設(shè)計熱阻，m2/W； c為襯砌層厚度（襯砌板和砂漿過渡層厚度），m； c為襯砌材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m。 三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 體積吸水率（%）01234w1.01.051.1

17、1.21.43.基于熱阻等效原理計算保溫板厚度保溫層下不保留凍土層的保溫板厚度計算 保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù) 當(dāng)保溫材料采用聚苯板時，其導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)w可按表2-3選取。當(dāng)體積吸水率介于表中給定值之間時，可通過內(nèi)插取值。 表2-3 保溫用聚苯板導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)w值三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 3.基于熱阻等效原理計算保溫板厚度保溫層下不保留凍土層的保溫板厚度計算 設(shè)計熱阻設(shè)計熱阻可采用公式（2-6）計算。 （2-6） 式中：R0為設(shè)計熱阻，m2/W； I0為工程地點的凍結(jié)指數(shù)，指凍結(jié)期日平均負氣溫連續(xù)累積值的絕對值，d； d為考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù)，按公式（2-2）計算。 三、渠道保

18、溫防凍脹工程設(shè)計 3.基于熱阻等效原理計算保溫板厚度保溫層下保留一定凍土層的保溫板厚度計算 渠道保溫防凍脹結(jié)構(gòu)在襯砌結(jié)構(gòu)不破壞的情況下，可允許保留一定的凍土層，這樣可以降低工程造價，提高防凍脹設(shè)計的經(jīng)濟合理性。當(dāng)保溫層下保留一定凍土層時，保溫板厚度按公式（2-7）計算。式中：n為保溫層下保留一定凍土層時保溫板的厚度，m； w為保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)，可按表2-3選?。?b為保溫板在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m）； Rn為保溫層下保留一定凍土層時的設(shè)計熱阻，m2/W； n為襯砌層厚度（襯砌板和砂漿過渡層厚度），m； c為襯砌材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m。 （2-7）三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 3.

19、基于熱阻等效原理計算保溫板厚度保溫層下保留一定凍土層的保溫板厚度計算保溫層下保留一定凍土層時的設(shè)計熱阻可按公式（2-8）計算。式中：Rn為保溫層下保留一定凍土層時的設(shè)計熱阻，m2/W； R0為設(shè)計熱阻，m2/W； n為設(shè)計要求消除凍土層占天然凍土層厚度的比例； Zn為設(shè)計要求消除凍土層厚度，m； Z為天然凍土層厚度，m。天然凍土層厚度Z可以取設(shè)計凍深Zd值，按公式（2-1）計算，也可以選用試驗觀測或當(dāng)?shù)貧庀筚Y料的統(tǒng)計值； Z1為保溫板下設(shè)計允許保留凍土層厚度，m。（2-8）三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 3.基于熱阻等效原理計算保溫板厚度保溫層下保留一定凍土層的保溫板厚度計算 保溫板下設(shè)計允許保留

20、凍土層厚度Z1可根據(jù)渠道允許法向位移h（凍脹量）按公式（2-9）計算。 式中：h為渠道襯砌結(jié)構(gòu)允許法向位移（凍脹量），m； P為荷載修正系數(shù)。由于渠道混凝土襯砌板為薄殼結(jié)構(gòu)加之聚苯板質(zhì)量很輕，可忽略荷載的影響，即荷載修正系數(shù)可取1。 f為土的平均凍脹強度，是凍脹量與凍土層（凍深+凍脹量）之比，%。 （2-9）三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 3.基于熱阻等效原理計算保溫板厚度保溫層下保留一定凍土層的保溫板厚度計算 渠道襯砌結(jié)構(gòu)允許法向位移（凍脹量） h與襯砌板大小、襯砌板間的約束程度、襯砌板與基土間的凍脹力、凍脹不均勻度和渠道邊坡基土的穩(wěn)定性等有關(guān)。允許法向位移值是指襯砌板在凍脹融沉作用下，不產(chǎn)生累

21、積凍脹或殘余位移的允許值，產(chǎn)生此值時渠道襯砌仍能滿足設(shè)計和正常運用的要求。 三、渠道保溫防凍脹工程設(shè)計 渠道斷面形式襯砌結(jié)構(gòu)混凝土漿砌石瀝青混凝土梯形斷面0.51.01.03.03.05.0弧形斷面1.02.02.04.04.06.0弧形底梯形1.03.02.05.04.06.0弧形坡腳梯形1.03.02.05.04.06.0整體式U形槽或矩形槽2.05.03.06.0分離擋墻式矩形斷面（底版）4.05.05.06.07.08.03.基于熱阻等效原理計算保溫板厚度保溫層下保留一定凍土層的保溫板厚度計算表2-4 渠道襯砌結(jié)構(gòu)允許法向位移值（h ）單位：cm 土的平均凍脹強度f與地下水位埋深有關(guān)，按