寒冷地區(qū)渠道凍脹破壞原因及防滲措施

摘要：渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成，凍脹破壞是寒冷地區(qū)渠道建設(shè)中的一大難題，因此分析凍脹破壞形成的原因，對(duì)防滲措施的擬定實(shí)施提供了有力的參考。

關(guān)鍵詞：渠道；凍脹破壞；防滲措施

1 渠道凍脹破壞分析

渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成，渠基土受凍體積膨脹必須具備以下條件：寒冷氣候區(qū)持續(xù)的負(fù)溫條件；土壤中自由水和毛細(xì)水的存在，并且有通暢的水分補(bǔ)給通道；土壤本身的物理力學(xué)性質(zhì)，包括土的顆粒組成，礦物質(zhì)成份等。凍脹破壞是寒冷地區(qū)渠道建設(shè)中的一大難題，由土壤中的水、土體顆粒物理性質(zhì)和負(fù)溫所致.

1.1 各因素間的相互關(guān)系

我們知道渠基土中含有土壤水，這些土壤水主要是由土粒子間填充的自由水和吸附在粒子周圍的束縛水組成，自由水的的多少與粒子間空隙的大小有關(guān)，束縛水的多少與土粒子總的表面積有關(guān)。針對(duì)渠道砼面板基土來說，因?yàn)槠涠酁楹粚?shí)土，粒子間隙小，所以其含水量的大小主要與粒子周圍束縛水有關(guān)。而束縛水的多少又與基土的性質(zhì)有關(guān)，即土質(zhì)組成顆粒越細(xì)，其顆粒的比面積就越大，粒子所吸附的水份也就是基土的含水量就越多。這樣，當(dāng)氣溫長時(shí)間處于0℃以下時(shí)，基土中水份就會(huì)結(jié)冰，根據(jù)水在結(jié)冰時(shí)體積增大0.09倍的性質(zhì)，基土的體積也將增大，這將給其上的砼面板產(chǎn)生向上的推力，如果該力足夠大，將引起砼面板在該力方向上的位移，或使板體本身發(fā)生破裂，翹起，滑落，嚴(yán)重的將導(dǎo)致渠道邊坡塌陷。

1.2 凍脹基土中的水份遷移原理

由于在不同土顆粒表面吸附水之間存在著電位差，當(dāng)氣溫長時(shí)間低于0℃時(shí)，在該電位差和毛管水表面張力的共同作用下，土顆粒表層的活躍水分子將會(huì)順著溫度梯度方向向土壤水凍結(jié)峰面遷移，如果基土水份有充足的補(bǔ)給源，基土凍結(jié)鋒面將會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的凍脹。因?yàn)槌Ｒ?guī)凍脹量一般為原來體積的10%～50%，而在水份遷移的情況下，凍結(jié)鋒面上的凍脹量可達(dá)到原來體積的數(shù)倍。在重力作用下，凍土水分垂直遷移以及毛細(xì)管水上升高度都有一定的范圍，該范圍的大小與土質(zhì)有關(guān)。理論分析和工程實(shí)踐證明，粒徑大于0.1mm的基土因其所含水分較少，在其結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹力較小，不足以對(duì)砼板產(chǎn)生破壞；當(dāng)基土粒徑在0.1mm～0.05mm之間時(shí)，破壞較大，而當(dāng)粒徑在0.05mm～0.002mm時(shí)，基土凍脹破壞最強(qiáng)。按照土質(zhì)的分類，粘土的凍脹破壞最強(qiáng)，其次依次降低的是粉質(zhì)土、亞粘土和亞砂土。

2 渠道防凍脹處理措施

2．1 渠道防凍脹處理形式

從導(dǎo)致土體凍脹的的三個(gè)基本因素中，只有三個(gè)因素同時(shí)具備，才發(fā)生凍脹破壞。只要消除其中一個(gè)因素，就能防止和減輕凍脹危害。

切斷凍土地基在凍結(jié)前、后的水分補(bǔ)給是過去防凍脹處理常用的法，此外改變渠基土體的基本結(jié)構(gòu)也是保證土體非凍脹性的一種方法。

要切斷凍土地基在凍結(jié)前后的水分補(bǔ)給，通常是采用高填或排水措施來減少水分的補(bǔ)給。但是由于土體顆粒及物理力學(xué)性質(zhì)的決定，毛細(xì)水的作用不可忽視。毛細(xì)水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上，同樣會(huì)對(duì)渠產(chǎn)生凍脹破壞。因此對(duì)于細(xì)顆粒土體，要完全切斷水分的補(bǔ)給是不現(xiàn)實(shí)的，毛細(xì)水的凍脹破壞不容忽視。

改變基土的基本結(jié)構(gòu)的辦法是進(jìn)行渠基土的換填，就是用大顆粒的土體填入渠基，將原來的細(xì)顆粒土體挖走。這種換填工程量較大，換填厚度一般要大于等于凍土深度。如果在凍土深小的地區(qū)使用尚可，若在凍土深較大的地區(qū)使用，往往工程量是巨大的。

從目前情況看，任何工程要根本回避和解決凍脹三因素之一，從考慮經(jīng)濟(jì)和投資省的情況下，都是非常困難和把握不住的。因此在實(shí)際工作中，往往將幾種工程措施結(jié)合起來使用。即以回避一種因素為主，輔之以回避另一種因素的綜合措施進(jìn)行防凍脹處理。

近來隨著新型建筑材料的問世，苯板越來越多地應(yīng)用于渠道的防凍脹處理。苯板防凍脹的主要機(jī)理是它具有保溫的功效，保證了渠基土不受負(fù)溫的影響。根據(jù)現(xiàn)有對(duì)苯板的搞凍試驗(yàn)資料，10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁層的保溫效果。遠(yuǎn)大于相當(dāng)于5～10cm厚戈壁、砂的塑膜的保溫效果。

2.2 渠道防凍脹處理形式的特點(diǎn)及應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題

在高地下水位區(qū)，即使采取了斷絕土壤中水分補(bǔ)給的措施，仍難以保證阻止毛細(xì)水的上升，因此還必須采取其它防凍脹處理形式。

對(duì)渠基土進(jìn)行換填是一種防凍脹的處理形式，它即改變了渠基土的結(jié)構(gòu)，又具有一定的保溫作用。它的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)渠道附近有大量換填材料時(shí)，造價(jià)可能便宜；由于對(duì)渠基進(jìn)行了徹底換填，當(dāng)質(zhì)量達(dá)到要求時(shí)，可保證渠道永久不受凍脹危害。同時(shí)也具有以下缺點(diǎn)：由于換填厚度大，土方工程量較大，當(dāng)換填材料運(yùn)距較遠(yuǎn)時(shí)，造價(jià)較高；施工難度大，清除了渠基原土，換填后的砂難以進(jìn)行夯實(shí)，要達(dá)到施工規(guī)范要求，難度較大；換填料的質(zhì)量難以把握，要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料，很難尋找料源。若采用人工加工料，則不經(jīng)濟(jì)。

不采用基土回填，只鋪設(shè)苯板保溫，防止渠基土凍脹是近年來漸漸采用的一種防凍脹處理形式。它只有保溫作用，不對(duì)基土進(jìn)行回填。具有以下優(yōu)點(diǎn)：抗凍效果好，采用10cm的苯板即達(dá)到了換填100cm砂或戈壁的保溫效果；施工方便，渠道開挖斷在小。不對(duì)基土進(jìn)行攏動(dòng)，直接將苯板置于基土上，在苯板上直接進(jìn)行襯砌材料的施工；在一定條件下造價(jià)便宜，使用的施工機(jī)械少，人工省。采用苯板，不進(jìn)行基土換填，避免了大量土石方機(jī)械的使用。當(dāng)基土換填材料運(yùn)距大于一定距離時(shí)，其造價(jià)低的優(yōu)勢立即顯現(xiàn)。苯板防凍脹材料的缺點(diǎn)是：在一定條件下，同換填相比，造價(jià)較高。當(dāng)基土換填材料運(yùn)距小于一定距離時(shí)，其造價(jià)明顯高于換填處理。

3 渠道凍脹破壞的修復(fù)措施

3.1 預(yù)制混凝土防滲層的修復(fù)

預(yù)制混凝土渠道包括板和U型槽，其砌筑縫多采用水泥砂漿縫。砼板防滲渠道的砂漿填縫一般有以下缺點(diǎn)：砂漿強(qiáng)度低；施工擠壓不實(shí)；不能與砼板緊密結(jié)合，勾縫的砂漿容易脫落，有的從勾縫中長出了雜草，甚至有些小型填方渠道襯砌完后，試放水發(fā)生垮渠等破壞情況，能保持完好的工程基本很少。造成放水垮渠原因，除了土方渠道質(zhì)量不好外。襯砌部分勾縫的漏水是主要的原因。為了保證工程質(zhì)量，建議對(duì)砼預(yù)制板改用方形或長方形，塊的大小應(yīng)便于施工為宜，厚度8~10cm為好，板縫留10cm~15cm用高標(biāo)號(hào)砼填塞，人工機(jī)械都能施工，要求搗出漿與砼板能緊密結(jié)合，使襯砌段形成整體，基本達(dá)到現(xiàn)澆的質(zhì)量。對(duì)于舊渠防滲層砌筑縫的修復(fù)也可以這樣處理：鑿除縫內(nèi)水泥砂漿塊，將縫壁、縫口沖刷干凈，用與混凝土板相同標(biāo)號(hào)的水泥砂漿填塞，搗平抹平后，保濕養(yǎng)護(hù)不得少于14天。

3.2 混凝土防滲層的翻修

3.2.1舊板拆除，重新鋪筑：混凝土防滲層如若損壞嚴(yán)重，例如破碎、錯(cuò)位，滑坍等的情況下，應(yīng)拆除損壞部位，處理好地基土重新鋪筑。在鋪筑時(shí)要特別注意新舊混凝土的結(jié)合面處理好。方法是結(jié)合面鑿毛沖洗后，需涂一層厚2cm的水泥凈漿，才能開始鋪筑新混凝土，同樣鋪筑好的混凝土要注意保濕養(yǎng)護(hù)。

3.2.2 舊板不拆，加鋪新板：現(xiàn)混凝土板不拆除，在其上整平后加鋪新板。

3.2.3 現(xiàn)澆混凝土方案：把舊混凝土凍脹隆起的部分壓平后，在上面鋪設(shè)保溫板（聚苯保溫板），然后鋪一層塑料薄膜，完成后在其上再鋪筑素混凝土。苯板和現(xiàn)澆混凝土的厚度通過計(jì)算得出。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較適合渠道現(xiàn)狀，較美觀。缺點(diǎn)：工期長，施工質(zhì)量較難控制，不適應(yīng)工程在干渠輸水間隔期施工，工期短的要求。

3.2.4 預(yù)制混凝土板方案：把舊混凝土凍脹隆起的部分壓平后，在上面鋪設(shè)保溫板（聚苯保溫板），然后鋪一層塑料薄膜，砂漿找平后，鋪筑混凝土板。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是混凝土板可集中預(yù)制，混凝土質(zhì)量易控制，集中鋪砌，適應(yīng)工程在干渠輸水間隔期施工，工期短的要求。缺點(diǎn)：混凝土板尺寸固定，難以適合渠道現(xiàn)狀尺寸。