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。
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；
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(5)日照及遮荫程度影响系数(ψd)
渠道坡面的朝向不同，造成断面上各部位的日照、风情和表面温度状况有很大差别。因此要计算断面上各部位冻结深度时，南北走向的渠道，两坡的冻结规律差别不大；东西走向的渠道，阴坡冻结深度大，阳坡由于日照强烈，冻结深度小；底部视边坡m值而变， m值大则冻结深度小。计算公式为：
式中：a、b——系数；根据断面宽深比、渠道走向和计算点位置，可由规范中表求得。
ψi ——典型断面某部位i点的日照及遮荫程度修正系数；可查规范中ψi分布图。
(6)地下水影响系数(ψω)
渠道断面各点的冻胀程度取决于土中含水量的高低，而土中含水量的来源，一是由渠顶向下渗透，二是渠道防渗层的漏水，三是地下水位高低影响。一般地下水位很深，冻胀对砌体的破坏较小；地下水位较高，低于渠底但小于临界水深，渠底和渠坡都有较大的冻胀；地下水位高于渠底，此时渠道无水，则底、坡都发生冻胀；渠道输水，则两坡在冰面附近冻胀力最强。计算公式为：
式中：Zω0——附近气象站地下水位深度(m)；
Zωi——计算点的地下水位深度(m)；可取计算点地面（开挖面）至冻结前地下水位埋深。
α——系数，以下表取值。
(7)基础设计冻深（Zf，m）
指计算点基础外露表面算起的冻深。计算公式：
式中：Zf——基础设计冻深(m)；
Zd——计算点设计冻深(m)；
ψa——基础材料修正系数（浆砌石、砼取0.35，干砌石取0.30）；
ds——基础板厚度(m)；
δi——基础上面的冰层厚度(m)；
基础下的冻深（Zb，m）的计算公式为：
(8)土的冻胀量
可分地表冻胀量和基础下冻土层冻胀量。地表冻胀量（Δh），指工程地点天然土层年冻结期内冻结前地表至冻结期内地表在法线方向的最大高差值，即季节冻结土层的总冻胀量；基础下冻土层冻胀量(Δh’)是指基础埋深小于基础设计冻深时，基础底下地基土冻结层的总冻胀量。由于渠道衬砌板自重很小，又无外加荷载，因此设计中一般不考虑基础底下地基土冻结层的总冻胀量。
地表冻胀量(Δh，mm）
因负温、土质、水分三者的相互影响导至地表冻胀量的大小。大量资料证明，土中粘粒、粉粒含量高时，土的冻胀强度最强，粘性土冻胀量大，砂性土则小。地下水埋深浅，冻胀量大，埋深大则冻胀量小。地表冻胀量可以通过不少于5年周期的现场观测资料取得，也可从设计冻深查阅规范中插图求得(见下图)。
（9）土的冻胀性级别
根据地表冻胀量（Δh）的大小，将土的冻胀性分为5级，以此对不同级别采取不同的抗冻胀设计。
经计算，中线总干渠河北省段冻胀量，南段一般为10～30mm，当基土水分大的阴坡渠底可达80～130mm，北段一般为20～60mm，当基土水分多的阴坡可达100～180mm，因此省内大部分属于Ⅱ、Ⅲ级冻结区。
（10）渠道衬砌结构允许位移值
衬砌结构的抗冻稳定性，由衬砌体允许法向位移值为控制指标。当渠道基土的冻胀量大于允许位移值时，应选择一种或多种适宜的抗冻胀措施。由于冻胀量在同一断面的不均匀性，同一断面的不同部位可采用不同的抗冻胀措施。
3 渠道衬砌的防冻胀措施
由于渠道衬砌厚度较薄，重量较轻，采取抵抗性措施是难以达到防治冻害的目的，必须从适应、回避、削减或消除冻胀等方面因地制宜地选用经济合理的一种或多种措施结合方案。对于土的冻胀性Ⅰ、Ⅱ级渠道，冻胀位移值与衬砌允许位移值相差不大时，可采用适应冻胀位移的结构措施解决；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级冻胀性渠道，当位移值与允许值相差较大时，可采用回避、削减或消除冻胀的措施方案。
（1）适应冻胀法
主要是采用渠道建筑材料、断面结构和衬砌分缝来适应冻胀变形。如断面结构采用弧形、弧形坡脚梯形、整体式混凝土U形槽断面、矩形断面挡土墙式等结构。对于刚性材料衬砌渠道，调整衬砌板纵横缝的距离、伸缩缝、收缩缝的缝形、缝宽和填充材料，防止衬砌板隆起、裂缝，以适应削减冻胀变形。采用大块现浇混凝土板，建议沿渠线方向每隔3～5 m设一横向缝；沿渠周方向间隔1～4 m设一纵向缝；缝宽10～30 mm。
（2）回避冻胀法
在规划设计中尽量避开出现较大冻胀量的自然条件。如在选择渠线时，选择透水性较强、地下水埋深大、地形较高的地带；渠线尽可能避开粘土、粉质土、淤土、沼泽和高水位地段。尽可能采用填方渠道。在工程措施设计时选择管道、暗涵和采用桩、墩基础、支撑置槽和架空等结构，尽量避开和减少与冻胀土接触的冻胀影响。
（3）削减冻胀法
当渠基出现最大冻胀量，衬砌体在冻胀融化的反复作用下，产生冻胀累积变形和残余位移破坏。在采用适应、回避等方法在技术经济等方面难以解决时，应采用削减或消除冻胀法，将渠基的最大冻胀量削减到衬砌结构允许位移范围内。削减冻胀可分为置换砂砾垫层、隔热保温、压实干密度、防渗排水等几项措施。
1）置换法
置换法是在冻结深度内将衬砌板下的冻胀土换成非冻胀性材料的一种方法。非冻胀性土为土粒中小于0.05 mm的土粒小于6％的土，一般选用纯净的砂砾、砂卵石、中粗砂，也可选用纤维布砂袋等铺设垫层。置换法的前提是保持排水通畅，而不使细颗粒淤塞，施工时可视材料级配情况设置防滤层或土工织物防滤布。当地或附近有较丰富的非冻胀性土资源条件且成本较低时可优先采用。
根据基土最大冻胀强度的冻深变化与衬砌体的允许位移值计算渠坡渠底各部位的置换深度。计算公式为：
式中：ε——置换比（%）；可按下表取值；
δ0——衬砌板厚度（m）
zd ——置换部位的设计冻深（m）
根据地下水埋深和渠床土质确定置换比（ε），其变化规律为：一般地下水埋深大时ε小，埋深浅则ε大；黏性和粉质土质ε大，砂性土质ε小；渠道坡面上部ε小，下部及底部ε大,见下表。
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2) 隔热保温法
将隔热保温材料布设在衬砌体下部，以消减冻深和冻胀，相应减小置换深度，割断下层土的水份补给。目前采用的保温材料有炉渣、泡沫水泥、珍珠岩、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫板等。随着工业化的发展，其中，聚苯乙烯泡沫塑料等新型保温材料的原料日益丰富，具有自重轻、强度高、吸水性低、隔热保温性能好、价格低、施工方便等优点，当前在国内、外得到了广泛的应用。
聚苯乙烯保温板的取用厚度，根据工程验证和热工计算，一般可取设计冻深zd的1/ 10～1/15。大型渠道因用量较多，为节省材料和安全起见应进一步通过热工计算复核确定。
3) 压实干密度法
用压实和强夯提高渠床非粉质粘性土的干密度，降低孔隙率、减弱透水性，具有阻碍水份迁移聚集，从而削减冻胀能力，达到防止冻害的目的。规范要求土的压实度不低于0.98，干密度不低于1.6 t/m3，且不小于天然干密度的1.05倍，压实深度应大于或等于置换深度。压实的前提是做好基土排水措施，该法就地取材，成本低，适宜于渠底和填方部分。但在国内已建水利工程中，推广应用较少。
我省平原大浪淀水库，采用堤防压实后，上铺两布一膜的复合土工材料防渗，蓄水位附近未铺保温板，但有较健全的地下水外排系统，建成蓄水运用有8年冻融历史，堤防完善，抗冻胀性能良好。这个实例，可以说明压实和地下水外排措施结合是有抗冻胀效果的。
4）蓄水保温法
渠道冬季蓄水，可使渠底基土部分不受冻胀。使渠基不受冻的水层厚度，可以用下式估算确定：
式中：Hs——保温水层厚度（cm）
Hd——设计冻深（cm）
δ——基础板厚度（cm）
5）排水法
渠床在冻结深度范围有通畅的渠外排水出路，在冻深底部设计纵横暗沟外排系统，防治基土冻胀。当地下水很深时（大于3 m），可在渠底设置盲沟盲井，使冻结层或置换层与透水层联系，把渠床冻融层中的重力水和傍渗水排出渠外。排水与置换、压实、保温等措施结合，起到较好的防冻胀效果。
4 总干渠防冻害措施初步分析
总干渠河北段渠线沿太行山山前通过，穿越50多条大中型河流，以非冻胀性土置换的砂砾料场资源十分丰富，就地取材地采用置换防冻法很有前途；当地土质多为黄土状壤土、粉质粘性土较少，渠道沿线地下水多为深埋地带，采用基土压实防冻法，虽技术不成熟，但具有有利条件；工地距京、津、石、保等十几个大中城市较近，其塑料工业相当发达，塑膜、聚苯板等土工材料具有成本低、重量轻、效果好、施工方便的特点，采用保温板削减冻胀，具有一定优势。究竟选择哪种材料和措施，达到满意的经济效果和质量保证，必须有针对性地对不同渠段的工况作出优化方案。
根据总干渠防冻胀计算，当地下水埋深、土质相近的情况下，分析渠线不同走向的保温、置换措施的等效厚度和措施方案；根据中线京石应急工程可研报告中的建筑工程估价表，单价为土方开挖12.06 元/m3、复合土工膜19.86 元/m3、聚苯板570.37 元/m3、换填砂砾料92.06 元/m3、土方回填压实5.12 元/m3，据此估算上表中左右岸合计每平米的工程量投资如下表：
由上表得知河北省南段置换比保温板投资增加较多9%～24%；北段增加较少4.6%～8.2%，有的渠段两种措施投资相差不多。
优缺点分析：
(1)隔热保温法具有成本低、重量轻、吸水率低、隔热性好、施工方便的优点，但最近发现埋入后有虫穿洞影响防渗效果的问题。关于使用年限，据水利部出版的《渠道防渗工程技术》中提出：“保温效果随着潮湿及吸水率的增大而降低。由于地下水的长期浸泡会使其导热系数增加，进而降低保温效果。较好的聚苯乙烯泡沫塑料使用寿命也只有30多年。”
（2）置换法利用当地砂砾料，就地取材，施工方便，利于大兵团作战，投资略高于保温法。但在做好排水和防滤的情况下，使用效果好，年限长。
（3）关于压实法，有就地取材，施工简单，投资省的特点，在渠底和填方段属于非粉质粘土和排水良好的情况下，是能获得防冻胀效果的，但这一措施，在国内推广较少，尚待探索。
5 总干渠防冰害措施
冰期输水安全问题一直是南水北调设计中的难题，九十年代以来，河北省南水北调工程筹备处、水利部水科院、武汉水电大学、长江科学院等单位曾就冰期输水问题多次开展原形观测科学研究工作，提出了《南水北调总干渠冰期输水计算分析》、《南水北调中线冬季输水冰情初步研究》等多项研究报告，总结的结论是：
（1）总干渠属无冰盖输水态势，流冰造成的冰阻、冰塞机会较多，冷冬季在河南安阳以北，平冬季在邢台以北将出现大量冰凌。尤其是石家庄以北，12月下旬就开始流冰。寒潮来临时，流凌量经常大于渠道过冰能力。冰花随水流量在渠道突变，弯道处和建筑物前堆积堵塞，抬高水位，诱发冰塞，漫堤决口，造成冰害。
（2）在翌年2～3月开河期，水流由南往北即由暖向冷方向行进,大量碎冰块流向下游，遇到下游坚冰阻滞，容易卡死形成冰坝，容易漫堤决口，冰情危急。这比黄河开河流冰时间更长，冰情更为危急。
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（3）在设计水力要素输水条件下，流速偏大，难以形成冰盖，必须利用沿线节制闸调整流速，人为降低水流Fr指数，实现冰盖下输水是可能的。平冬年可能一月在保定以下段形成；寒冬年，可能在石家庄和保定段同时形成。有的平冬年，气温较高，可能全线都不能形成冰盖。
明渠冰期输水安全的防范措施包括输冰、结冰盖，排水、蓄冰等一种或综合防冰运行方式，结合南水北调工程布设和自然条件，在渠道设计中，注意以下几点要求：
（1）调整设计断面。由于冰盖输水和流冰输水，致使设计水位下的流量减小，或设计流量下的水位抬高，据引黄济青工程分析：在设计水位情况下，有冰盖时，输水流量减少23.5%～27.1%；在设计流量情况下，有冰盖时，水位壅高0.61%～0.75%。因此在南水北调总干渠水力计算中，要考虑输冰的影响，调整设计断面。护砌高程要考虑冰期水位抬高和冰盖厚度，留有余地。
（2）有输冰要求的渠段，其弯道半径宜大于10倍水面宽度。傍山渠道、劈崖渠道、高填方渠段要求加固堤防，一侧劈崖，一侧填筑渠道，要求做成挡土墙式堤防和整体混凝土结构。
（3）利用沿线地形，设置排冰闸，用以紧急排冰减险和冰凌存储，避免冰花渠内大量堆积和堵塞。排冰闸的闸门宜采用舌瓣式，由上部排冰以减少输水损失。
（4）节制闸前和拦河建筑物前应该置拦冰索、拦冰板等拦冰设施，设置水位越限无线传输报警装置；有排冰任务的闸门，拦污栅和启闭机等应采取保温加热除冰措施，包括保温法、加热法、吹泡法和射流法等。
建筑物设计中，要考虑抬高建筑物及建筑物前渠道衬砌顶部高程，防止壅冰外溢。
（5）山东引黄济青冬季输水由流冰转为连续冰盖的过程应具备三个条件：①流冰的体积密度大于1，并持续5～8 h；②水流的速度小于0.3 m/s，延续5～8 h；③气温低于-8℃，延续5～8 h。河北省段总干渠，全程设置19座节制闸，平均23 km一座，用以调控总干渠水位。吸取山东引黄济青工程经验，采用“远距离输水渠道控制容量法”，实现冰盖下输水调度管理。
6 防冻胀工程的施工要求
国内多数工程的实践证明：采取单一措施是难以达到防治衬砌工程的冻害、冰害的目的，要针对产生冻胀的因素，采取有主有次的综合措施。不但是规划布置、渠道设计、排水、保温、衬砌结构等措施经济合理，而且要重视施工质量、管理维修，防治冰、冻害预案，才能达到满意的防冻害效果。施工中应注意以下几点要求：
（1）保证有良好的排水系统。无论是采取适应、回避和削减等措施都要建立在良好排水系统的基础上，有外排条件的尽量外排，没有外排条件的采取内排型式，必要时采取强排措施。施工中要搞好反滤层、防止淤塞、管涌和流土。
（2）保证防渗工程质量，防止漏水。如铺设防渗层，处理好膜料接缝；处理好混凝土板冻胀变形缝的填料，施工中不能刺破防渗层，刺破后必须粘补密封。
（3）置换工程要选择好砂砾料级配，保证回填质量；压实工程要保证实压厚度和干密度；保温板要符合设计质量要求，铺设的粘结质量要求牢固耐久。
（4）建立施工质量控制与质量体制，保证施工质量达到设计要求，对于混凝土、砂砾料、保温板与土和膜结合的稳定等一些关键技术都应预先进行试验和施工测试，取得经验后才正式的施工。
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中图分类号：TV31 文献标识码：B
文章编号：1672-1683（2004）05-0009-06
收稿日期：2004-06-15
作者简介：王刘泉（1933-）男，水利部河北水利水电勘测设计研究院原副总工程师，教授级高级工程师，国务院特殊津贴专家、河北省省管优秀专家。
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5楼
这么好的文章得顶一下。
要是楼主把文中几个公式、表格能发全就好了
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6楼
真是好文章！谢谢分享！
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