渾蒲灌區(qū)水工建筑物破壞原因分析

富建軍

( 遼中縣水利建筑工程公司，遼寧 遼中110200)

沈陽市渾蒲灌區(qū)位于E122°50' ～E123°20'，N41°20' ～N41°50'，即沈陽市西南部，渾河與蒲河之間，包括于洪，新民，遼中3 縣( 區(qū)) 的19個鄉(xiāng)( 鎮(zhèn)) 和2個國有農(nóng)場。

區(qū)內(nèi)東西長60 km，南北寬20 km，地形東北高，西南低。地面高程由沈陽莫家堡進(jìn)水閘38 m高程逐漸向西南傾斜，在遼中縣四分干烏伯牛節(jié)制閘附近高程為12 m，地面坡降為1/5 000 ～1/4 000。

灌區(qū)地處北溫帶，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。冬季嚴(yán)寒干燥，夏季高溫多雨，一年四季分明，月平均最高氣溫28.7 ℃，月平均最低氣溫－20.5 ℃，最高極端氣溫36.3 ℃，最低極端氣溫－37.5 ℃，凍層深度為1.2 ～1.4 m左右，年平均降水量為650 ～700 mm，其中6—8月降水量最多，約占全年降水量的65%以上，年均蒸發(fā)量為1 100 ～1 400 mm。無霜期平均為165 d。

區(qū)域內(nèi)面積為1 000 km2。其灌溉工程總干渠為27.4 km，下轄分干7 條，直屬支渠18 條，有固定提水站18 處。排澇工程為5 條自流排干，其控制面積為710 km2，保護(hù)耕地為150 km2。合計(jì)長度為211 km，共有排水站57 座，總裝機(jī)容量為5 420 kW，萬畝農(nóng)橋60 座，排水閘設(shè)計(jì)流量＞5 m3/s 的有20 座。

這些水工建筑物大多始建于1970年，灌溉工程雖于1990—1993年進(jìn)行支渠以上建筑物更新改造，建筑物遭受破壞的主要原因是凍融破壞，為了探索防治凍融循環(huán)破壞，我們對遭受凍融破壞的建筑物進(jìn)行分類調(diào)查，并對其破壞原因進(jìn)行分析［1］。

1 渾蒲灌區(qū)水工建筑物凍融破壞類型

水工建筑物凍融破壞可歸納5 類即: ①擋土墻破壞。②橋、渡槽及排水站的井柱基礎(chǔ)破壞。③護(hù)岸破壞。④涵管破壞。⑤金屬結(jié)構(gòu)破壞。

1.1 擋土墻凍融破壞

擋土墻凍融破壞現(xiàn)象比較常見，特別是小型建筑物擋土墻經(jīng)過3個凍融期就產(chǎn)生破壞現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查的50 座建筑物統(tǒng)計(jì)分析，其破壞形式有漿砌石裂縫及傾斜變位［2］。

1) 裂縫是漿砌石擋土墻破壞的主要形式。它的裂縫有斜裂縫，豎直裂縫，水平裂縫3 種。斜裂縫是由于斷面受剪，而沿砌石縫隙的破壞，它多發(fā)生在中下部，縫寬多為3 cm，最多可達(dá)8 cm。如:渾蒲灌區(qū)4分干土堡子節(jié)制閘消力池。

豎直裂縫主要是由于墻體斷面受拉造成墻體開裂。有兩種情況:①閘室與墻體連接處分縫擴(kuò)大，或擴(kuò)大時錯位止水設(shè)施造到破壞; ②拐角處其特點(diǎn)是垂直于地面上寬下窄形式。

2) 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)傾斜變位。擋土墻在水平凍脹力和切向凍脹力雙向作用下向臨空面傾斜變位，破壞的結(jié)果是在變位達(dá)到某種程度后，漸漸穩(wěn)定，極少造成倒塌失事，其傾斜率在6%左右，在傾斜的同時混凝土表面發(fā)生剝落現(xiàn)象。

如某蓄水工程的涵管，其設(shè)計(jì)流量為8 m3/s，共2 孔，每孔為1.7 m高，凈寬1.7 m。其進(jìn)水口擋土墻傾斜變位為12 cm，傾斜率為5%，其鋼筋保護(hù)層經(jīng)20 a的破壞已剝落。

1.2 井柱式基礎(chǔ)破壞

井柱式基礎(chǔ)是農(nóng)田橋，渡槽、及排水站的重要下部結(jié)構(gòu)之一，在排水干渠中，由于地水水位較高，長期存有地表水，因此井柱式基礎(chǔ)凍融破壞是沈陽市渾蒲灌區(qū)水工建筑物的普遍破壞現(xiàn)象。

1.2.1 樁柱凍拔

樁柱即處于溝( 渠) 底，在切向凍脹力的作用下上抬。處于渠道中間柱的位移最大，邊坡次之。

如烏伯牛排水干渠的東荒地橋最大凍拔量20 a的時間總計(jì)為60 cm，特別是4 分干右10 支渡槽，建成后第二年就被拔起10 cm，不得已而改建。

1.2.2 井柱混凝土剝蝕破壞

剝蝕破壞多發(fā)生在排水渠道上，填方渠道基本沒有破壞現(xiàn)象。剝蝕發(fā)生在冬季有水的水位變化區(qū)，輕的現(xiàn)象為混凝土保護(hù)層剝落，鋼筋外露。嚴(yán)重的深入混凝土內(nèi)部，20 a的剝落厚度為10 cm。

如黑魚溝3 排干的亮子溝橋原設(shè)計(jì)井柱為80 cm，經(jīng)20 a剝蝕僅存50 cm。

1.3 護(hù)岸( 坡) 破壞

漿砌石、混凝土板等剛性材料護(hù)坡中，在凍融循環(huán)作用下，由于建筑物受到不均勻凍脹作用下產(chǎn)生錯位，并且融化后無法恢復(fù)到原位，從而使剛性材料表面形成裂縫。

如某蓄水工程的混凝土模袋工程僅一個凍融期就發(fā)生該破壞現(xiàn)象。

1.4 涵管破壞

1.4.1 涵管上部擋土墻破壞涵管上部擋土墻裂縫破壞，以圓涵為主，且多為上下貫通縫。裂縫上寬下窄。

預(yù)制涵管多發(fā)生此現(xiàn)象，涵管一節(jié)多為2.4 m，一般涵管總長在5 ～7.2 m。涵管在豎向凍脹力作用下產(chǎn)生不均勻凍脹和融沉。造成涵管之間相互錯位和移位。

如:某鄉(xiāng)的農(nóng)業(yè)開發(fā)工程，其上抬量在1 ～3 cm。

1.5 金屬結(jié)構(gòu)閘門板破壞

閘門板破壞發(fā)生在蓄水工程中，閘門板在冰推力作用下向背水面鼓起、變形。

從水工建筑物凍融破壞特點(diǎn)看來，存在以下共同性質(zhì):

1) 同一建筑物的破壞，陰坡大于陽坡，特別是東西走向建筑物更為明顯。

2) 同一建筑物下游比上游嚴(yán)重。

3) 排水溝大于灌溉渠道，灌溉渠道中地下渠道大于半挖半填式。地上填方渠道沒有凍融破壞發(fā)生。

4) 凍融期氣溫冷暖交替頻繁，凍融破壞嚴(yán)重。

奇納馬薩介紹說：“目前津巴布韋國內(nèi)大豆種子嚴(yán)重短缺。只有2750噸大豆可滿足需求，距實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)計(jì)劃下的大豆生產(chǎn)目標(biāo)還有很長距離。”奇納馬薩表示，化肥行業(yè)也同樣面臨挑戰(zhàn)?！坝雄E象表明，津巴布韋目前有12萬噸的化肥準(zhǔn)備投放市場。從今年11月到2019年1月，化肥行業(yè)產(chǎn)能將再增16萬噸?！?/p>

2 渾蒲灌區(qū)水工建筑物破壞原因分析

2.1 形成凍融破壞的自然因素

1) 氣溫: 渾蒲灌區(qū)的氣溫在11月上旬地面凍結(jié)，解凍于次年3月中旬，平均最大凍土深度在1.2～1.4 m。地下水埋深平均在2 m左右，1月份平均最低氣溫為－12 ℃，最低氣溫為－33.1 ℃。

2) 土壤情況: 土質(zhì)多為黏土、亞黏土，屬于強(qiáng)凍脹土。

3) 土體前期含水率及凍結(jié)期水分。灌區(qū)凍結(jié)層凍前含水率多＞16%，最大可達(dá)35%，常年在解凍前多為冬雨封地，增加土壤的含水率，為凍融現(xiàn)象創(chuàng)造條件。

2.2 凍脹力及冰作用力對建筑物破壞

凍脹力有3 種形式: ①水平凍脹力。②切向凍脹力。③法向凍脹力。

當(dāng)建筑物受力部位強(qiáng)度不能抵抗外力作用時，即發(fā)生破壞。

2.2.1 水平凍脹力的破壞作用

水平凍脹力使擋土墻發(fā)生水平位移、傾斜的主要原因。由于渾蒲灌區(qū)擋土墻設(shè)計(jì)只考慮土壓力設(shè)計(jì)，沒有考慮大于主動土壓力幾倍的水平凍脹力。

2.2.2 切向凍脹力的破壞

井柱式樁基是凍拔的主要原因，基礎(chǔ)土凍結(jié)時，凍土方向向上膨脹，當(dāng)建筑物荷載小于切向力時，把填入凍土中的樁順著凍脹方向抬起。

2.2.3 法向凍脹力的破壞作用

該力是使護(hù)坡( 岸) 和淺基礎(chǔ)發(fā)生破壞的主要原因。護(hù)坡( 岸) 和板式淺基礎(chǔ)與土壤接觸面積大，致使地基水分，溫度和土質(zhì)難保持一致，故發(fā)生凍脹和融沉現(xiàn)象的破壞。

再加上多年進(jìn)行渠( 溝) 清淤工程，使現(xiàn)有渠底( 溝) 低于設(shè)計(jì)渠底，造成建筑物基礎(chǔ)埋深低于冰凍線的要求，也是造成法向凍脹力破壞的原因之一。

2.3 設(shè)計(jì)上的原因

1) 渾蒲灌區(qū)水工建筑物設(shè)計(jì)所采用公式力學(xué)指標(biāo)均以非凍脹土為準(zhǔn)，所以它與具有凍融特性的土質(zhì)情況不符。

2) 涵管及擋土墻的中小型建筑物埋深只有0.8 m，沈陽地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)冰凍線＜1.2 m。

3) 漿砌石的水泥砂漿強(qiáng)度為M5 或M7.5，未考慮抗凍要求。

4) 混凝土結(jié)構(gòu)中水泥未考慮抗凍要求。

5) 金屬結(jié)構(gòu)中外力計(jì)算只考慮水壓力，忽視靜冰及動冰作用。

6) 未考慮建筑物臨土面土壤中水對建筑物滲透而采取的防滲防凍設(shè)施。

2.4 施工原因

1) 基土處理不達(dá)標(biāo)，春季施工小型工程由于基礎(chǔ)埋藏淺，這樣就落在未完全融化凍土層上，造成建筑物沉降變形。

2) 砌石質(zhì)量不規(guī)范，其主要表現(xiàn)在漿砌石工程中砌石尺寸大小不均，特別是臨土面凹凸不平，增加凍結(jié)面積，砂漿鋪設(shè)不飽滿，影響整體性，降低強(qiáng)度。

3 結(jié) 語

通過調(diào)查分析，解決灌區(qū)水工建筑物凍融破壞的發(fā)生，必須做到以下3個方面:

3.1 設(shè)計(jì)方面

充分掌握建筑物所在的自然條件，建筑物施工運(yùn)行的基本資料，從工程選址、結(jié)構(gòu)形式及建筑材料選取考慮防凍措施如: 建筑單位擋土墻在水位線下設(shè)排水孔，凍土置換等。

3.2 施工方面

監(jiān)理單位、承包商要嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)文件。

3.3 運(yùn)行方面

管理單位依據(jù)水工建筑物特點(diǎn)制定運(yùn)行方法時充分考慮凍害的措施。

［1］潘炳甫. 灌區(qū)水工建筑叢書:農(nóng)橋［M］. 北京:水利電力出版社，1981.

［2］王宇，劉森，韓雷. 生態(tài)型護(hù)岸結(jié)構(gòu)凍脹適應(yīng)性的試驗(yàn)示范研究［J］. 黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2012，03( 01) : 33－36.9