南水北调中线工程渠道防冻胀设计中的几个问题

南水北调中线工程渠道防冻胀设计中的几个问题（王流泉 赵文清 姚丽华）
提要：南水北调中线工程由南向北，从气候温和区走向寒冷区。在寒冷区，输水总干渠及其下级分干渠每年冬季都将遇到渠床冻结、渠道冰凌对渠道工程的冻害和冰害问题，严重影响调水的输水安全。因此，在工程设计、施工和运行阶段，必须搞好防治冻害和冰害的工作。针对河北省的冻害、冰害特点，依据有关规范和资料，阐述渠道工程防治冰冻害的重要性及其工程和非工程措施。

关键词：南水北调；渠道；防冻胀；防冰害

Several Problems on Design Against Freezing Damage of the Channel in South-toNorth Water Transfer

WANG Liu-quan ZHAO Wen-qing YAO Li-hua

(Hebei Research Institute of Investigation & Design of Water Conservancy & Hydropower of MWR , Tianjin 300250,China)

Abstract: The Middle Route of South-North Water Transfer goes from south to north, from the warm zone to cold zone. In the cold zone, the main channel and the branch main channel for water transfer will meet the freezing damage and ice injury problems such as channel bed frozen, ice slush in channel in winter annually, which will destroy the channel works and severely affect the safety of water transfer. So in the design stage, construction phase and runtime, preparatory work must be done to prevent the channel from freezing damage and ice injury. In this paper, in view of the characteristics of the freezing damage and ice injury, according to the related criterion and information, the significance of preventing the channel from freezing damage and ice injury and the engineering and non- engineering measures are stated.

Keywords: South-to-North Water Transfer；channel；prevent from freezing damage；prevent from ice injury

南水北调中线总干渠全长1267 km，由南往北跨越北纬33～40℃，气候由温和区走向寒冷区，进入河北省境内最冷月的平均气温低于-3℃～-5℃，处在寒冷区范围。据总干渠沿线典型气象站统计：每年当日气温转负一般始于12月上旬，终于翌年2月下旬，多年平均达110～128 d，多年平均冻结指数283～725℃·d，最冷月1月多年平均气温南部永年县达-2.7℃，北部涞水县达-4.9℃，极端最低温度达-19.8℃至-23.4℃，多年平均最大冻深南部永年县27.7 cm，北部涞水县达56.5 cm，最大冻深达42～75 cm。总干渠沿线气候及土壤冻深见表1。




北方季节冻土区地表层存有冬冻春融的冻结融化层，土体发生的物理力学性质的挤压和减压变化，直接影响着上部建筑物的稳定性，如地表冻胀隆起、融化沉陷，导致基土上建筑物受到不同程度的破坏。渠道冬季输水，形成大气与水之间的热量交换，当水面负温时，即开始结冰，经过冰絮、岸冰、流冰，封冻、解冻等过程，流冰中的冰塞、冰坝和壅高将对渠道上建筑物和渠道两侧起到破坏作用。因此在渠道设计、施工和运行中必须研究防治冻害和冰害问题。

1 冻胀对渠道衬砌的破坏

负气温造成渠道衬砌体的冻害和冰害是相当严重的。防治措施不当和管理疏忽就很容易出现大的灾难事故和经济损失。冻害、冰害破坏的类型大致有以下三种。

1.1 衬砌体重量轻，抗冻胀能力弱

渠道衬砌是一种线路性工程，距离长、厚度小、分布广，设计中不可能按照集中性枢纽、单个建筑物那样从结构尺寸上考虑抗冻胀要求，而只能从经济和防渗的角度考虑薄薄的一层，如30～50 cm的灰土，6～10 cm的素混凝土（沥青混凝土）、薄膜加土体保护层等。这样的结构，重量轻，稳定性差，抗冻性差，在负温下冻结成冰，体积膨胀作用下引起的应力超过材料强度时，即产生裂缝，冻胀体的多次循环而破坏。

1.2 冰体挤压碰撞造成渠体破坏

冬季输水渠道，遇到一次寒流气候连续几天负温，冰体由岸冰向渠中心扩大，形成封冻冰盖，冰层加厚，对两岸砌体产生冰压力和冰推力造成衬砌体破坏或将砌体被推上坡；当水面封冻时，上游的浮冰源源不断而来，钻到冰面以下或以上，浮冰和冰块在建筑物前(如桥、闸)或渠道拐弯处积累，减小过水断面，逐渐封堵形成冰塞、冰坝，水流将漫溢渠顶造成决口，破坏渠堤对堤外造成淹没。如2001年引黄入津时，1月13日寒潮最低气温达-15℃，马厂减河入北大港的马圈闸6孔涵洞被冰块阻塞，渠水出现漫堤，险情危急，天津市动员数百人抢护大堤，并动用消防队，用水龙头冲开洞口，奋战12小时才排除险情。1981年引黄时南运河马厂、葵庄、兴济桥、九宣闸、安陵闸、北陈闸，多处出现冰阻险情、堤防水位壅高、闸门堵塞失灵、桥桩撞断等事故。

1.3 基土冻融变化，破坏防渗体

负温、土质和水分是导致基土冻结的三大要素。土体含水量高、渠道水渗漏、地下水毛管水上升，在负温情况下土壤水冻结而土体膨胀，使刚性衬砌体开裂、隆起；在春季消融时，土体失去强度，使衬砌体塌陷或滑动。衬砌体开裂、隆起、塌陷和滑动的结果，造成衬砌体破坏、防渗膜料外露，破坏和老化，导致渠道渗漏，修补也十分困难。

2 冻胀性渠基的特征和有关参数

正确认识渠基土冻胀机理，如何采取应对措施，在渠基土防冻胀设计中，首先要明确几个参数和有关规定。

(1)防冻胀设计规范与标准

当前，指导抗冻胀设计的有两个规范，即《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-98）和《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23-91)。在南水北调中线渠道工程设计中，曾选择典型渠段，对两个规范的有关参数进行了比较分析，其结果是用《SL211-98规范》计算保温板厚度和《SL23-91规范》计算成果相差不多，而新近颁布的《SL211-98规范》计算比较简明，本文以此“规范”为主进行阐述。

“规范”规定标准冻深大于10 cm的衬砌渠道和暗管、标准冻深大于50 cm的水闸、涵洞等渠系建筑物，均应进行防冻胀设计。

(2)冻胀土和非冻胀土

土中粒径小于0.05 mm的土粒含量大于总土重的6%称为冻胀土；反之，当土中粒径小于0.05 mm的土粒含量小于总土重的6%称为非冻胀土。也就是说，粉砂、壤土、粘土为冻胀土，细砂中小于0.05 mm的土粒重量大于和等于6%为冻胀土，粗砂、中砂、砾砂为非冻胀土。

(3)标准冻深(Zk)

工程附近气象站观测系列不短于20年的历年最大冻深的平均值。如果资料系列短的可查规范中等值线图求得。查图得知海滦河山前平原标准冻深在30～60 cm，其中京津地区约为50 cm，邢邯地区约为30 cm。

(4)设计冻深(Zd)

工程地址渠道和建筑物结构各计算点冻结深度的设计取用值。计算点可取渠道两侧设计水位附近处、坡脚处、渠底处等点。设计冻深值与土壤水份多少、地下水位高低、日光照晒遮荫程度等有关，其计算公式为：




式中：Zd——设计冻深(m)；

Zk——标准冻深(m)；

Φf——冻深年际变化的频率模比系数。可从规范的曲线图查得(见下图)。一般小型工程查10 a一遇曲线，大中型工程查20年一遇曲线。该系数大于1，标准冻深愈小，系数就大，冻深大于1.5 m以上，系数趋向常数。例如，冻深0.5 m以上，20 a一遇和10年一遇系数分别为1.3和1.23；冻深1.0 m时，系数为1.2和1.15；冻深1.5~2.5 m时，为常数1.2和1.13。

ψd——日照及遮荫程度影响系数；

ψω——地下水影响系数；