本發明涉及一種應用于季節凍土區的輸水渠道抗凍脹破壞方法，尤其是涉及一種消除季凍區冬季無冰蓋、高水位運行的輸水渠道凍脹破壞作用的設計方法。
背景技術：
預制混凝土板襯砌渠道具有防沖、防滲能力較強，施工快捷的優點，但應于北方輸水工程中時常因渠基土的凍脹作用而發生裂縫、隆起甚至滑坡的破壞現象。為了解決渠道的凍脹破壞，一方面人們提高渠道的抗凍脹能力，將預制混凝土板改為了現澆混凝土板，甚至將混凝土的厚度由5cm提高到10cm，甚至更大；另一方面，人們根據產生土體凍脹的三大因素，對剛性渠道采用保溫、防水以及土體換填的三大類防凍脹破壞方法來減弱（或消除）渠道基土的凍脹以降低（或減弱）對襯砌層的破壞作用。除了這些措施外，也常常運用一些結構措施來適應渠道的凍脹變化，從而使作用在渠道襯砌層上的凍脹力值減小，如小型渠道用U型結構，在大中型渠道中采用弧形底斜邊坡的斷面形式。
近幾年，在我國北方輸水渠道中廣泛采用梯形混凝土襯砌，并在混凝土襯砌層下加鋪設了一或二布一膜土工織物。這些防凍脹破壞成果廣泛地應用到各級輸水渠道中，取得了較好的經濟效果。而這些防凍脹方法，也已經以規范的形式指導和運用于工程實踐，如：1）渠道斷面形式和襯砌結構根據渠道大小可采用整體式混凝土U形或矩形槽、混凝土板和土工膜結構的弧形或弧底直邊坡的斷面，砌石襯砌或其它適宜的防抗凍脹破壞結構型式；2）冬季輸水時宜采用窄深式的弧形渠底+矩形或梯形斷面渠道冰蓋下明流、滿流輸水或無冰蓋過水。所以，無論渠道冬季是否過水，都是通過水力計算確定橫斷面上襯砌長度，而襯砌厚度則是依據工程經驗和構造要求確定【中華人民共和國國家標準.水工建筑物抗冰凍設計規范GB/T50662-2011[S].北京：中國計劃出版，2011】，這是因為人們認識到冬季輸水渠道的基土不像冬季停水渠道的基土在渠道整個橫斷面上全部凍脹，而是僅在渠內水位面以上邊坡部位凍脹，相同條件下，冬季輸水渠道的基土凍脹變形（或總的凍脹力）不如全斷面凍脹得那么大，所以襯砌層破壞程度也就比冬季停水渠道的輕，因而用凍脹作用較大的全斷面凍脹情況下（即冬季停水運行條件）的設計方法進行冬季輸水渠道的設計，就更安全了。
但是事與愿為，如：南水北調工程從石家莊至北京總干渠采用了換填和保溫法兩種防凍脹破壞措施【王流泉,趙文清,姚麗華.南水北調中線工程渠道防凍脹設計中的幾個問題[J].南水北調與水利科，2004，2(5):9-14.】，新疆烏什水水庫冬季引水渠采用冰蓋下明流【曹興山，陳志孟. 寒區冬季輸水渠道凍脹破壞機制與防治——以新疆烏什水水庫引水渠為例[J].地質災害與環境保護，2005，16(4):405-409.】，這兩個工程的輸（引）水渠運行2、3年都出現了不同程度的凍脹破壞。這充分說明：即使所有條件完全相同的渠道，僅因冬季是否過水的不同，運行后的渠道破壞情況就不一樣。適用于冬季停水渠道的防凍脹破壞的方法不一定就能適用冬季輸水渠道。因此必須對兩種運行方式的渠道分別進行各自獨立的設計、研究，不能合二為一的考慮。
近年來，廣泛采用剛柔相濟的襯砌形式，即在混凝土襯砌層下加鋪一或二布一膜等土工織物。對于冬季停水的渠道來說，與僅有混凝土板襯砌的渠道相比，一或二布一膜+混凝土的雙防襯砌形式確實大大降低了渠道凍脹破壞的程度。雖然對位于季節凍土區的全冬期輸水渠道來說，加鋪土工膜的襯砌結構形式較無土工膜的也有較好的防滲效果，從而減小基土的凍脹因素的影響強度，保證達到防凍脹效果。但據現場調查，既使采用了目前較先進的襯砌結構---一或二布一膜+混凝土襯砌方式于全冬季輸水渠道中，但混凝土襯砌層仍有破壞現象。
因此，在人們僅知道冬季輸水的渠道剛性襯砌層下表面有渠床土的凍脹破壞作用而對冬季輸水渠道襯砌層的凍脹破壞機理不明確以及不能判定凍脹力類型及設計值的情況下，尋求徹底解決冬季輸水渠道的防凍脹破壞的方法，不失為一種解決季節凍土區冬季輸水剛性渠道破壞的有效方法。
技術實現要素：
目前，冬季輸水梯形混凝土渠道因水面線以上的渠基土的凍脹而其下土體不凍結，整個渠道橫斷面上僅有部分土體凍結，即渠邊坡板下總的凍脹范圍減小，也即凍脹力的作用面積減小。但是，其破壞作用是否就小，這很難判定。因為人們還沒有完全掌握冬季運行情況下梯形渠道襯砌層的凍脹破壞的機理。
本發明針對目前人們對季節凍土區冬季輸水渠道的凍脹破壞機理認知不清的技術現狀下，為解決季節凍土區冬季輸水渠道因渠基土凍脹作用下的渠道破壞問題，提出了一種消除季凍區冬季高水位運行的輸水渠道凍脹破壞作用的方法。
本發明應用于整個冬季期間無冰蓋且有較高恒定水位運行的季節凍土區梯形剛性渠道設計中，保證了剛性襯砌層下無凍脹力存在，即邊坡板下渠床土因渠內水體保溫而不凍結，而無渠內水體保護的直立部分因渠外無填土故無凍脹作用。
本發明所采用的技術方案：
一種消除季節凍土區冬季無冰蓋、高水位運行的輸水渠道凍脹破壞作用的方法，包括以下幾個方面：
1）輸水渠道剛性襯砌渠道橫斷面采用復合斷面形式，在渠岸或堤頂面以下為梯形斷面，而渠岸或堤頂面以上為矩形斷面；
2）為了利用渠內水的比熱容高的特點，渠內水對渠基土起到保溫作用，達到渠基土在整個冬季期不凍結的目的，從而消除輸水渠道的凍脹，所以整個冬季渠內水位面不得低于渠岸或渠堤頂面；
3）渠道矩形斷面的擋水墻渠外側無土，即渠岸或渠堤頂面以上的直墻墻后無土，自然就無土的凍脹作用。
所述的消除季節凍土區無冰蓋、冬季高水位運行的輸水渠道凍脹破壞作用的方法，1）按冬季正常運行時的設計流量計算水深并據此確定梯形渠槽深度；
2）按全年最大供水流量進行計算復合斷面的水深；
3）在復合斷面水深的基礎上充分考慮渠道末端用水情況、運行工況，綜合確定安全超高；
4）復合斷面的水深與安全超高之和為總渠深；
5）對選定材料的擋水直墻進行全年最高水位運行工況下的強度驗算，并進行擋水直墻在水壓力作用下的抗滑穩定和抗傾覆驗算，以此設計擋水直墻厚度。
本發明的有益效果：
1、本發明為一種消除季凍區冬季無冰蓋、高水位運行的輸水渠道凍脹破壞作用的方法，輸水渠道采用復合斷面形式，與目前大中型渠道上采用的弧底梯形的混凝土渠道相比，現澆混凝土修筑梯形渠道具有架立模板方便、施工簡單的優點。而預制混凝土修筑梯形渠道除了具有施工方法簡單，還有施工期短、進度快的優點現有技術中的襯砌斷面形式的改變（如弧形底直邊坡、U形渠道）都是為了使渠道襯砌層適應季節凍土區渠基的凍脹變位以減小凍脹破壞作用。為了提高渠道的抗凍脹破壞能力，減小或調整不均勻凍脹，改預制混凝土板為現澆混凝土襯砌，甚至增大剛度，板厚由5cm提高到10cm甚至15cm。而其它保溫法、換填法以及隔水法不僅增加了新的材料，而且增加新的施工工序。即使采取了其它防凍脹破壞方法，對冬季輸水渠道來說，防凍脹效果究竟如何，還有待進一步考究。
2、本發明消除季凍區冬季高水位運行的輸水渠道凍脹破壞作用的方法，提出的復合斷面形式在相同的過水流量下僅通過改變渠道的橫斷面形式，不增加圬工量的基礎和新材料即可利用渠內水的熱比容高的優點使渠道渠基土溫度大于零，消除了渠道的凍脹，渠道也就不再因基土凍脹而發生各種類型的破壞。此外，預制混凝土板原來在各級渠道都應用，因不能適應或調整渠基土的不均勻凍脹受到限制，目前僅能用于小型渠道中。而本發明應用還可恢復預制混凝土板的適應范圍，并且板厚不在有抗凍脹的要求，僅需滿足常規要求。若在本發明基礎上再結合其它保溫、換填和隔水措施會使渠道的防凍脹破壞效果更加突出。
3、本發明僅通過渠道橫斷面形式改變仍能保持相同的水力要求，便可利用渠內水的比熱容較大的優點使渠基土不凍結，也就無凍脹作用，從而根本上保證了季節凍土區的混凝土防滲渠具有防滲功能。若在冬季平均氣溫較高的季節凍土區，高溫凍土區若再采取其它融冰方法，季節凍土區的冬季輸水渠道就不會發生因負氣溫帶來的凍害和冰害。本發明所提出的復合斷面形式的渠道的附帶優點為減小了土方量、圬工量和占地面積，且渠道襯砌板可商品化，易實現機械化流水施工。其直接經濟效益顯而易見，而間接和社會效益無法估量。
附圖說明 圖1是本發明全冬季輸水剛性襯砌渠道復合斷面結構示意圖；
圖中，標號1表示渠內水面線；標號2表示現澆或預制剛性襯砌層；3為剛性擋水墻；4為現澆或預制剛性襯砌層底板；5為冬季正常水深。
具體實施方式
下面通過具體實施方式，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
實施例1
參見圖1。本發明消除季節凍土區冬季無冰蓋、高水位運行的輸水渠道凍脹破壞作用的方法，包括以下幾個方面：
1）輸水渠道剛性襯砌渠道橫斷面采用復合斷面形式，在渠岸或堤頂面以下為梯形斷面，而渠岸或堤頂面以上為矩形斷面；
2）為了利用渠內水的比熱容高的特點，渠內水對渠基土起到保溫作用，達到渠基土在整個冬季期不凍結的目的，從而消除輸水渠道的凍脹，所以整個冬季渠內水位面不得低于渠岸或渠堤頂面；
3）渠道矩形斷面的擋水墻渠外側無土，即渠岸或渠堤頂面以上的直墻墻后無土，自然就無土的凍脹作用。
實施例2
參見圖1，本實施例的消除季節凍土區無冰蓋、冬季高水位運行的輸水渠道凍脹破壞作用的方法，與實施例1的不同之處在于，進一步的：
1）按冬季正常運行時的設計流量計算水深并據此確定梯形渠槽深度；
2）按全年最大供水流量進行計算復合斷面的水深；
3）在復合斷面水深的基礎上充分考慮渠道末端用水情況、運行工況，綜合確定安全超高；
4）復合斷面的水深與安全超高之和為總渠深；
5）對選定材料的擋水直墻進行全年最高水位運行工況下的強度驗算，并進行擋水直墻在水壓力作用下的抗滑穩定和抗傾覆驗算，以此設計擋水直墻厚度。必要情況下，對擋水直墻進行地基基礎的設計。
本發明采用輸水渠道的形式為復合斷面，即渠岸或渠堤頂面以下為梯形斷面而渠岸或渠堤頂面以上為矩形斷面，并且全冬季渠內水位都不小渠岸或渠堤頂面。其原理利用渠內水的保溫作用使渠堤土在整個冬季期不凍結，而渠岸或渠堤頂面以上的擋水直墻墻后無土，自然在渠道邊坡板下和直墻后均無凍脹力的存在，從而消除渠基土對渠道剛性襯砌層的凍脹作用，并且渠道剛性襯砌板可預制。實現了渠道混凝土產品商品化，可流水施工修建渠道，縮短工期。