灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害原因分析及防護(hù)措施探討

白國(guó)庫(kù)

(新疆巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆庫(kù)爾勒 841000)

灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害原因分析及防護(hù)措施探討

白國(guó)庫(kù)

(新疆巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆庫(kù)爾勒 841000)

灌區(qū)混凝土防滲渠道建設(shè)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉意義重大，而混凝土防滲渠道凍害防護(hù)工作則是保障混凝土防滲渠道正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。本文針對(duì)花海灌區(qū)的混凝土防滲渠道凍害原因進(jìn)行分析，同時(shí)提出了較為可行的防護(hù)措施。希望本文的研究，能夠?yàn)楣鄥^(qū)混凝土防滲渠道防凍害工作提供依據(jù)。

花海灌區(qū);混凝土防滲渠道;凍害原因;防護(hù)措施

灌區(qū)配套設(shè)施及節(jié)水改造建設(shè)工程中一般采用混凝土預(yù)制塊或混凝土板進(jìn)行襯砌，防滲效果較好，此外，由于混凝土本身屬于剛性材料，抗壓能力較強(qiáng)，因此灌區(qū)混凝土防滲渠道應(yīng)用較為普遍。但混凝土板抗拉強(qiáng)度較差，抗凍害能力較差，易由于不規(guī)則變形或者拉伸而產(chǎn)生不同程度的凍融、凍脹等現(xiàn)象，導(dǎo)致防滲渠道表面發(fā)生剝落、斷裂、架空等情況，對(duì)防滲渠道的防滲效果造成較大影響［1］。現(xiàn)對(duì)花海灌區(qū)的防滲渠道防凍害經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行回顧性分析，希望能夠?yàn)楣鄥^(qū)混凝土防滲渠道凍害防護(hù)工作提供參考。

1 工程簡(jiǎn)介

花海灌區(qū)是玉門(mén)市新市區(qū)東部花海盆地的一個(gè)大型灌區(qū)，面積超過(guò)3800km2，其北部與南部均為戈壁，東部為金塔縣，西部為昌馬灌區(qū)青山農(nóng)場(chǎng)?；ê９鄥^(qū)為典型大陸荒漠氣候，位于海拔1200～1320m之間，年降水量較少，年平均氣溫較低，無(wú)霜期僅有150天，氣候較為寒冷且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，晝夜溫差較大，凍土層最深達(dá)到1.5m，屬于灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害嚴(yán)重區(qū)域［2］?；ê９鄥^(qū)整體地勢(shì)為南高北低，坡勢(shì)較緩，土壤為灰質(zhì)灌漠土，表層有機(jī)物和腐植質(zhì)含量較高，土壤肥沃?；ê９鄥^(qū)混凝土防滲渠道95%以上均采用混凝土預(yù)制板襯砌，防滲、防沖效果良好，而且美觀、耐用。灌區(qū)總干渠共3條，襯砌總長(zhǎng)為80.017km;支干渠共3條，襯砌總長(zhǎng)為26.794km;支渠共13條，襯砌總長(zhǎng)為52.84km;斗渠共83條，襯砌總長(zhǎng)為152.03km;農(nóng)渠共953條，襯砌總長(zhǎng)為85.72km。由于混凝土防滲渠道建設(shè)投資較大，對(duì)灌區(qū)防滲、節(jié)水工作和提高水資源利用率十分重要。因此，花海灌區(qū)對(duì)混凝土防滲渠道的防凍害工作十分重視，采取換填砂石、增加苯板保溫層等技術(shù)措施進(jìn)行保溫，效果良好。

2 花海灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害情況分析

由于氣溫較低，花海灌區(qū)防滲渠道多出現(xiàn)表面剝蝕、鼓脹、裂縫、隆起、架空、滑塌以及整體上抬等凍害現(xiàn)象，情況不容樂(lè)觀。其中表面剝蝕多集中于防滲渠道底部、水位變化區(qū)及影響區(qū)，主要表現(xiàn)為混凝土板表面粗糙度增加、疏松以及凍酥;鼓脹和裂縫多集中于尺寸較大的現(xiàn)澆混凝土部位順?biāo)鞣较?，裂縫有的出現(xiàn)在渠道底部，有的出現(xiàn)在渠坡1/4～3/4處;隆起、架空多集中于渠道坡腳、水面上部0.5～1.5m以及渠道底部［3］。由于渠基土與渠道頂部?jī)雒浟坎灰恢?，引發(fā)混凝土襯板被頂起或架空;坡腳混凝土板受到外力作用失去穩(wěn)定被推開(kāi)，引發(fā)上部襯板失去依托而錯(cuò)位或滑落。凍脹、架空以及渠坡基土融化期滑坡都是引發(fā)渠道襯板滑坡的主要原因;由于渠道基土凍脹不均勻性較小、而渠槽整體性良好，致使花海灌區(qū)U形渠槽整體上抬。

3 花海灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害原因分析

花海灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害現(xiàn)象總體來(lái)看主要包括凍融破壞和凍脹破壞。下面就這兩種凍害原因進(jìn)行分析。

3.1 凍融破壞

凍融破壞是一種物理變化，簡(jiǎn)單說(shuō)就是周?chē)鷾囟确磸?fù)變化，由0℃以上降至0℃以下;再由0℃以下升至0℃以上而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生反復(fù)凍結(jié)和融化的現(xiàn)象。這樣使得混凝土本身遭到破壞，尤其是表面破壞嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1 凍融破壞結(jié)局

靜水壓的形成機(jī)理主要是混凝土毛細(xì)孔中的水分受冷環(huán)境影響而逐漸凝結(jié)成冰，體積發(fā)生膨脹而又受到毛細(xì)孔的限制，如果繼續(xù)降溫，一部分水凝結(jié)成冰，而另一部分成為過(guò)冷態(tài)與冰態(tài)水在毛細(xì)孔中共存。毛細(xì)孔中水分過(guò)冷就會(huì)產(chǎn)生較大的靜水壓力，隨著溫度的進(jìn)一步降低，更多的水在混凝土內(nèi)部微區(qū)結(jié)冰，靜水壓作用于毛細(xì)孔四壁，使混凝土中的水泥石整體處于受拉狀態(tài)［4］。如此反復(fù)循環(huán)，水泥石因受到循環(huán)加荷產(chǎn)生疲勞或者超出極限抵抗力，使毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)受損。常見(jiàn)工程中靜水壓強(qiáng)分布如圖2～圖3所示。

圖2 靜水壓強(qiáng)分布1

圖3 靜水壓強(qiáng)分布2

氣溫降低，混凝土內(nèi)部水凍結(jié)時(shí)由于混凝土材質(zhì)并不均勻，毛細(xì)孔加壓或傳熱也不均勻，部分區(qū)域的水結(jié)冰早，部分區(qū)域的水結(jié)冰晚，逐漸形成滲透壓，推動(dòng)結(jié)冰的水向結(jié)冰處移動(dòng)并在該區(qū)域凝結(jié)成冰。滲透壓的形成主要是由于冰水蒸汽壓的形成，產(chǎn)生滲透壓后毛細(xì)孔受到徑向擠壓，水泥石也處于受拉狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)亦會(huì)產(chǎn)生較大損害［5］?；ê９鄥^(qū)防滲渠道混凝土襯板受到外界溫度交替變化的影響，內(nèi)部水泥石受到反復(fù)牽拉作用，不僅加速了混凝土的老化，而且當(dāng)壓力超過(guò)混凝土的抗拉壓力時(shí)直接導(dǎo)致混凝土裂開(kāi)。

3.2 凍脹破壞

凍脹破壞主要是防滲渠道基層土受凍后體積膨脹，對(duì)上層混凝土造成破壞，主要表現(xiàn)為鼓脹、裂縫、隆起、架空、滑塌及整體上抬。研究表明越靠近基土表層凍結(jié)點(diǎn)越高，一般0℃左右即可凍結(jié)，凍結(jié)后體積發(fā)生膨脹，由于建設(shè)時(shí)與混凝土襯板結(jié)合緊密，體積膨脹后直接頂起混凝土襯板，致使混凝土襯板表面產(chǎn)生鼓脹、隆起、架空等變形。凍脹破壞結(jié)局見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 凍脹破壞結(jié)局1

圖5 凍脹破壞結(jié)局2

圖6 凍脹破壞結(jié)局3

4 花海灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害預(yù)防措施

根據(jù)花海灌區(qū)防滲渠道凍害分析結(jié)果，可針對(duì)凍融破壞和凍脹破壞分別采取措施進(jìn)行防護(hù)。

4.1 規(guī)避凍脹環(huán)境

在設(shè)計(jì)灌區(qū)線路時(shí)，要盡量避免黏質(zhì)、松軟土質(zhì)，淤泥沼澤、地下水位高地段，盡量選擇土質(zhì)透水性較強(qiáng)、地下水位較低、地形較高地段。在遇到不可避免情況時(shí)，應(yīng)針對(duì)性設(shè)置混凝土澆筑方法及建設(shè)引水排水設(shè)施。

4.2 嚴(yán)格建筑材料與加入化學(xué)配料

原材料的選擇首先要針對(duì)工程要求選用硅酸鹽水泥與普通酸鹽水泥這兩種水泥，水泥的強(qiáng)度必須在42.5以上，水泥用量必須保證在300kg/m3，水灰比例控制在0.5以內(nèi)。拌制混凝土所選用的集料必須進(jìn)行篩選，不能將冰、凍塊及其他易凍物質(zhì)摻雜于其中;攪拌水來(lái)源不得含有影響水泥水化、凝固的水泥鋼筋、混凝土腐蝕離子。在保證原材料的基礎(chǔ)上必須注意水灰的配比，配比應(yīng)不大于0.60。為了保證混凝土最終質(zhì)量能夠符合施工要求，水灰配比也應(yīng)該保持不小于0.40。在混凝土早期攪拌過(guò)程中可以加入適量早強(qiáng)劑，但是早強(qiáng)劑劑量不能超過(guò)水泥總量的1%，避免過(guò)度化學(xué)藥劑對(duì)鋼筋造成腐蝕。還可以加入一定的引氣劑與抗凍劑，從而阻斷混凝土毛細(xì)孔。

4.3 渠道裂縫處理

對(duì)渠道已出現(xiàn)裂縫的情況一般采取開(kāi)挖回填法與灌漿法兩種方法進(jìn)行處理，下面進(jìn)行詳盡闡述。

4.3.1 開(kāi)挖回填法

開(kāi)挖回填法主要針對(duì)裂縫不深或防滲部位裂縫，主要方法有以下兩種，如圖7(梯形楔入法)與8(梯形十字法)所示。

圖7 縱縫處理

圖8 橫縫處理

裂縫開(kāi)挖工序：裂縫周?chē)_(kāi)挖應(yīng)超過(guò)裂縫兩端1m，開(kāi)挖深度應(yīng)超過(guò)裂縫深度0.3～0.5m，開(kāi)挖槽底部寬度至少0.5m;應(yīng)根據(jù)渠道土料及裂縫性質(zhì)針對(duì)性選用回填土料，坑槽周?chē)馏w含水量過(guò)高時(shí)應(yīng)先清除部分水分再回填，偏干則將表面潤(rùn)濕再回填。

4.3.2 灌漿法

灌漿法主要針對(duì)裂縫較深、采用開(kāi)挖回填法工程量較大的裂縫。常見(jiàn)灌漿方法為重力灌漿與壓力灌漿方法。重力灌漿方法是將配置好的漿液充分灌入裂縫;壓力灌漿法主要是在重力灌漿法后再加機(jī)械壓力，促使?jié){液在強(qiáng)壓下灌入裂縫。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采取針對(duì)性防護(hù)措施，花海灌區(qū)防滲渠道防凍害效果良好，防護(hù)經(jīng)驗(yàn)可以廣泛應(yīng)用，但仍舊需要進(jìn)行相關(guān)深入研究，進(jìn)一步控制施工成本和提高抗凍效果。

1 紀(jì)連成，尹天波，王澍．混凝土防滲渠道凍害破壞原因及防治措施［J］．黑龍江水利科技，2006(04)：208.

2 閆鈺，李丹穎．混凝土預(yù)制板防滲渠道凍害原因及防治措施［J］．內(nèi)蒙古水利，2012(04)：107－108.

3 張廣周．灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害成因及預(yù)防措施［J］．內(nèi)蒙古水利，2011(01)：145－146.

4 陳雯龍．新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施［J］．水利技術(shù)監(jiān)督，2011(03)：49－51，59.

5 宋廣強(qiáng)．淺談混凝土防滲渠道凍害破壞及防治措施［J］．內(nèi)蒙古水利，2011(02)：172－173.

6 陳獻(xiàn)偉．試論混凝土防滲渠道防凍脹的技術(shù)措施［J］．中國(guó)水運(yùn)(下半月)，2013，13(03)：287－288.

Analysis of Concrete Anti-seepage Channel Freezing Cause in Irrigation Area and Discussion on Protective Measures

BAI Guo-ku
(Xinjiang Bazhou Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Korla841000，China)

Concrete anti-seepage channel construction in irrigation area has great significance to agricultural irrigation．Concrete anti-seepage channel frost protection work is the foundation to guarantee normal operation of concrete anti-seepage channel．In this paper，the frost cause of concrete anti-seepage channel in Huahai irrigation area is analyzed，meanwhile，more feasible precautions are proposed．It is expected that the study in the paper can provide basis for concrete anti-seepage channel frost prevention work in the irrigation area．

Huahai irrigation area;concrete anti-seepage irrigation channels;frost reason;protection measures

TV91

A

1005-4774(2013)08-0066-03