灌區(qū)渠道混凝土破壞現(xiàn)狀及成因分析

廉 納

(山西省運城市鹽湖區(qū)水務(wù)局，山西 運城 044000)

1 灌區(qū)渠道狀況

某灌區(qū)位于我國北方寒冷地區(qū)，一、二、三干渠節(jié)水改造工程位于灌區(qū)內(nèi)，屬灌區(qū)場內(nèi)渠道，三條渠道分別自同一渠48 km、55 km、66 km節(jié)制閘左岸引水，是該灌區(qū)的三條最主要的輸水大動脈。渠道建于1956年，經(jīng)過多年運行，滲漏嚴重，渠道水利用系數(shù)低，為減少水量損失，于2005-2007年對其進行了防滲改建。灌區(qū)一、二、三干渠渠道設(shè)計流量分別為4.91 m3/s 、4.68 m3/s、5.43 m3/s，渠道長度分別為12.1 km、11.3 km、11.9 km。一干渠于2005年9月開工，當年11月完工。二、三干渠于2006年7月開工，2007年5月完工，其中，三干渠0+000—3+431段于2006年10月底完工，并于2006年11月初通水運行；3+431—11+900段于2007年5月底通水運行。

2 灌區(qū)渠道破壞現(xiàn)狀

近年來，灌區(qū)三干渠0+400—1+800渠段渠底現(xiàn)澆砼表面出現(xiàn)大面積剝蝕現(xiàn)象，另外1+300和3+431閘樞紐閘前鋪蓋現(xiàn)澆砼表面也有相同的剝蝕現(xiàn)象。該渠段表面損壞的板塊共計550塊，但連接渠底和邊坡的圓弧坡腳的砼板表面基本完好。除渠底外，部分圓弧坡腳處現(xiàn)澆砼表面也出現(xiàn)大面積剝蝕現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)有個別砼隔墻表面也出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象，表面剝蝕的隔墻4道，另外約有35塊邊坡板下部出現(xiàn)表面剝蝕現(xiàn)象。

3 破壞原因分析

通過檢測數(shù)據(jù)可知，渠道混凝土試塊抗壓強度均滿足設(shè)計要求。，施工過程中渠道現(xiàn)澆砼均按照配合比進行拌料，澆筑過程也基本符合施工規(guī)范要求。渠道現(xiàn)澆砼板平整，砼板分縫處以及砼板與隔墻連接部位，沒有明顯的沉陷、錯縫等變形現(xiàn)象，說明渠道土方填筑質(zhì)量良好。而渠道現(xiàn)澆砼表面剝蝕由底板向圓弧坡腳板，而后又有向下邊板底部發(fā)展的趨勢，說明是由于某個特殊的原因造成的。

3.1 地下水的侵蝕作用

最初設(shè)計三干渠渠道全線均為塑膜、砼板雙防的結(jié)構(gòu)形式，施工過程中發(fā)現(xiàn)渠段上游地下水位較高，尤其是渠道前400 m渠段，最高地下水位高出設(shè)計渠底0.6m左右，于是修改設(shè)計，將渠道樁號0+000—0+400渠段改為只采用干砌塊石防沖的梯形斷面結(jié)構(gòu)形式。

據(jù)了解渠道冬季停水期間，進水閘關(guān)閉，但因為地下水位較高，三干渠0+000—0+400渠段有地下水滲出，而后順流而下，使0+400—3+431渠段渠底積水，并在冬季有結(jié)冰現(xiàn)象。

2007年9月26日現(xiàn)場調(diào)查時，渠道上游附近約20 m處排渠中有少量地下水出露，取樣觀察水質(zhì)透明略微混濁，口感苦澀。送至農(nóng)一師設(shè)計院化驗室經(jīng)過簡分析，水的礦化度達到18.156 g/L，為高礦化水，成分主要為含SO42-、Cl-的K+、Na+、Mg2+鹽。

高礦化水本身就能降低砼的強度，并促使砼表面分化。另由表中可見，該地下水中硫酸鈉(Na2SO4)的含量很高(約8-9 g/L)。一般情況下，硫酸鈉的溶解度隨著溫度的升高而逐漸增大，但硫酸鈉的溶解度較小，初冬氣溫漸漸下降，隨著溫度下降到一定數(shù)值后，硫酸鈉因為溶解度小，最早達到“飽和”狀態(tài)，因而首先析出吸水結(jié)晶形成芒硝，芒硝結(jié)晶時體積膨脹。化學方程如下：

Na2SO4+10H2O → Na2SO4·10H2O

根據(jù)有關(guān)資料，硫酸鈉吸水結(jié)晶成為芒硝以后，它自身的體積比原來膨脹4.4倍。

所以，當冬灌結(jié)束渠道停水后，因三干渠0+000—0+400段有高礦化度的地下水滲出，使0+400—3+431渠底積水，并慢慢滲入渠底砼表層。在溫度降低時，滲入砼表層的硫酸鈉溶液便析出結(jié)晶形成芒硝，體積膨脹過程中使砼表層的灰漿松動，由于晝夜溫差不斷循環(huán)變化，硫酸鈉也在固態(tài)、液態(tài)之間轉(zhuǎn)換，促使砼板灰漿由表及里地逐步松動，表層失去強度。這一變化過程是砼板表層剝蝕的主要原因。

3.2 冬季凍融循環(huán)，加快了砼表面的破壞

灌區(qū)所在地區(qū)冬季較為寒冷，渠道砼板的抗凍等級為F150，在凍結(jié)初期和末期，渠底積水反復(fù)凍融。設(shè)計上能夠滿足當?shù)氐目箖鲆?，但在溫差較大的該灌區(qū)，即使冬季中午溫度也較高，再加上正午時分日照強烈，無形中增加了凍融循環(huán)的次數(shù)。

3.3 灌溉期砂礫石沖刷嚴重

該段渠道設(shè)計流速1.2 m/s，水深1.1～1.0 m，而其下段渠道設(shè)計流速0.97 m/s，水深0.88 m。流速大的渠道水流挾沙能力較強，因而在渠道上段理論上應(yīng)該沒有淤積。實際運行情況正是如此，在樁號3+431閘樞紐前基本沒有淤沙，而其下段明顯有淤沙堆積，并且多是粗砂和細礫石，零星還有卵石存在。而實際上渠道上下段的設(shè)計流速相差又不大(不到10%)，可以初步推測上段流速不足以使挾帶的細礫石和卵石懸浮在水中，而是在渠底做滾動推移運動。細礫石和卵石在渠底滾動推移，不斷的摩擦沖撞渠底，并帶走砼表面經(jīng)過侵蝕、凍融而松動的灰漿，造成砼表面粗骨料外露。

4 結(jié)語

綜合分析，砼表面損壞的原因是：初冬經(jīng)過鹽水浸沒，砼板表面灰漿松動；而后在凍融循環(huán)作用下，砼表面破壞進一步加??；灌溉期灌溉水夾雜砂礫石在渠底摩擦沖撞，將表面強度破壞的砼細顆粒帶走，造成砼表面剝蝕破壞。但從圓弧坡腳板破壞現(xiàn)象看，破壞面正在擴大。如果不進行處理，渠道砼板將進一步破壞。為減少損失，必須采取有力措施，遏制破壞面的發(fā)展。

[1]孫杲辰,王正中,王文杰.梯形渠道砼襯砌體凍脹破壞斷裂力學模型及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學報.2013(08).

[2]申向東,張玉佩,王麗萍.混凝土預(yù)制板襯砌梯形斷面渠道的凍脹破壞受力分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報.2012(16).

[3]王森,武新宇,程春田.自適應(yīng)混合粒子群算法在梯級水電站群優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電學報.2012(01).

[4]羅志平.自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法(APSO)在膜下滴灌優(yōu)化灌溉中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉.2011(08).

[5] 錢坤,蘇國韶.人工蜂群算法在渠道斷面優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].水利水電科技進展.2011(03).

[6]王俊發(fā),馬旭,周海波.基于多目標模糊優(yōu)化的土保護層塑膜鋪襯防滲渠道設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學報.2008(12).