混凝土渠道防滲凍害的成因及防治措施

許慶禎　孫　波

混凝土渠道防滲就是用混凝土砌筑渠道，減少或防止水的滲漏損失。混凝土與渠道防滲具有一次性投資比較大、防滲效果好、運行安全的特點。

1混凝土渠道防滲凍害的原因分析

混凝土是由砂、石、水、水泥等材料組成的。這些材料具有一定的吸水性，又長期處在水環(huán)境中，因此材料內(nèi)部總是含有一定的水分，這些水分在負溫條件下，凍結(jié)成冰，體積會發(fā)生膨脹。當這種膨脹作用引起的應(yīng)力超過混凝土強度時，就會產(chǎn)生裂縫并增加吸水性，使混凝土在第二個負溫周期中，結(jié)冰膨脹的作用更加強烈，經(jīng)過多次凍脹、融化循環(huán)和應(yīng)力的反復(fù)作用，最終導(dǎo)致混凝土的凍融破壞。破壞輕微的使混凝土表面的砂漿層剝蝕，嚴重的使混凝土凍酥。

混凝土(預(yù)制混凝土板)屬于剛性材料，具有較高的抗壓強度，但抗拉強度較低，適應(yīng)拉伸變形或不均勻變形的能力較差。在凍脹力或熱應(yīng)力的作用下，容易破壞，其破壞形式可歸納如下。

1.1鼓脹及裂縫

a.在冬季，混凝土板與渠床基土凍結(jié)成一個整體，承受著凍結(jié)力、凍脹力，以及混凝土板本身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力等。當這些應(yīng)力值大于混凝土板在低溫下的極限應(yīng)力時，板體就發(fā)生破壞。

b.混凝土渠道防滲的凍脹裂縫，多出現(xiàn)在尺寸較大的現(xiàn)澆混凝土板順水方向，縫位一般在渠坡坡腳以上1/4～3/4坡長范圍內(nèi)和渠底中部。當冬季渠道積水或運行時，一般出現(xiàn)在水面附近的渠坡上。

c.當混凝土板塊尺寸過大、不能適應(yīng)溫度收縮變形時，將由于溫度應(yīng)力造成縱向或橫向裂縫。當縫間止水材料不能適應(yīng)低溫變形時，將在分縫處開裂。

d.此外，當混凝土板與基土凍結(jié)在一起后，由于凍土出現(xiàn)凍脹裂縫，混凝土板亦可能因此而被拉裂。冬季，在渠內(nèi)存水結(jié)成較厚冰層的情況下，冰面附近渠坡含水較高，水分補給充分，凍脹量較大。但混凝土板的凍脹上抬受到冰層一側(cè)的限制，因而可能在冰緣處受彎出現(xiàn)裂縫或折斷。

凍脹裂縫寬度與基土的凍脹性及其不均勻程度有關(guān)?；羶雒浶匀?，裂縫小，基土凍脹性強，裂縫寬，而且將發(fā)展成其他形式更嚴重的破壞。溫度裂縫和拉裂縫一般比較小，但這些裂縫，往往都與基土的凍脹同時發(fā)生，因而縫寬亦隨之擴大，特別是其中的縱向裂縫常常成為凍脹縫。

f.不論上述哪種形式的裂縫，一旦出現(xiàn)，就難于或不可能在基土融化時完全復(fù)原。甚至由于裂縫塊間相互擠頂而留下寬縫或局部擠碎。裂縫的出現(xiàn)，不但造成渠道漏水，而且由于泥沙通過裂縫被帶入板下，污染墊層，加劇土的凍脹。在逐年凍融循環(huán)作用下，裂縫寬度和凍脹累積發(fā)展，導(dǎo)致混凝土碾破壞愈來愈嚴重。

1.2架空隆起

在地下水位較高的渠段，渠床基土距地下水近，凍脹重大，而渠頂凍脹小，造成混凝土襯砌板大幅度隆起、架空。這種現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在坡腳或水面以上0.5m坡長處和渠底中部。

1.3滑塌

渠道襯砌的凍融滑塌有兩種形式：其一由于凍脹引起混凝土板隆起架空，使得坡腳支承受到破壞，混凝土板墊層失去穩(wěn)定平衡，因而基土融化時，上部混凝土板塊順坡向下滑移、錯位、互相穿插、迭疊。其二渠坡基土融化期的大面積滑坡，使渠坡滑塌，導(dǎo)致坡腳混凝土板被推開，上部混凝土板塌落下滑。

2混凝土渠道防滲防治凍害的措施

混凝土渠道防滲是否產(chǎn)生凍脹破壞，其破壞程度如何，取決于基土凍結(jié)時水分遷移和凍脹作用。而這些作用又和當時當?shù)氐耐临|(zhì)、土的含水量、負溫度及工程結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。若采取措施消除或改善其中一個因素，就有可能防止混凝土的凍脹破壞。但是，混凝土渠道防滲多處于粘質(zhì)土壤上，渠水易于補給基土，混凝土板體重量輕，抗凍脹能力弱，某些渠段無法避免自然和人為的不利條件，易于遭受凍害。實際上，采取單一措施是難以達到不凍脹目的的。實踐證明，防治混凝土渠道的凍害，要針對產(chǎn)生凍脹的因素，根據(jù)工程具體條件采取綜合措施。

2.1避免凍脹

避免凍脹是在混凝土渠道防滲工程的規(guī)劃設(shè)計中，注意避開出現(xiàn)較大凍脹量的自然條件，或者在凍脹性土區(qū)，注意避開凍脹對渠道混凝土的作用。

a.盡可能避開粘質(zhì)土壤、松軟土層、淤泥沼澤和高地下水位的地段，選擇透水性較強的不易產(chǎn)生凍脹或地下水位埋藏較深的地段。將混凝土渠底凍結(jié)層控制在地下毛管水補給高度以上。

b.盡可能采用填方渠道。

c.渠線選擇在地形較高的脊梁地帶。

d.有滲水和地面回歸水入渠的渠段，盡量有排水設(shè)施。

e.規(guī)劃布置林帶，多種柳樹，因柳樹根須發(fā)達，可以改善渠床基土環(huán)境，有利于防凍害。

2.2削減凍脹

渠床基土在凍脹消融的反復(fù)作用下，產(chǎn)生凍脹累積或變形情況時，可采用適宜的削減凍脹的措施，將基土的最大凍脹量削減到混凝土結(jié)構(gòu)允許變位的范圍內(nèi)。

a。換填法。在凍結(jié)深度內(nèi)將混凝土板下的凍脹性土換成非凍脹性材料如碎石、砂礫。碎石、砂礫墊層本身，不會產(chǎn)生凍脹，而且能排除滲水和阻止下層水分向表層凍結(jié)區(qū)遷移。所以換填墊層能有效地減少凍脹，防止凍害現(xiàn)象的發(fā)生。

b.隔熱保溫。將隔熱保溫材料布設(shè)在混凝土板襯砌體背后，減輕或消除寒冷，并可減少換填墊層深度，隔斷下層土的水分補給，從而減輕或消除渠床的凍深和凍脹。