三屯河節(jié)水改造工程防滲抗凍脹設(shè)計(jì)與施工

王天勇

（昌吉市三友工程建設(shè)有限公司，新疆 昌吉831100）

1 工程概況

三屯河灌區(qū)是西部大開發(fā)的重點(diǎn)工程建設(shè)內(nèi)容之一，主要服務(wù)和保障該地區(qū)的糧、棉、糖基地化、持續(xù)化生產(chǎn)之需。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，部分工程出現(xiàn)了渠道襯砌損壞現(xiàn)象，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，使工程效益始終在低層次徘徊。三屯河節(jié)水改造工程勢(shì)在必行，在節(jié)水改造過程中，受新疆地理環(huán)境影響，防滲抗凍脹施工是此次節(jié)水改造中的重要組成部分。

2 主要凍脹類型及成因

2.1 主要凍脹破壞情況

在對(duì)三屯河改造前對(duì)節(jié)水改造工程的滲漏和凍脹情況進(jìn)行了深入的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)凍脹現(xiàn)象主要有3種：1）隆起架空。主要發(fā)生在地下水位較高的渠段，由于渠床基凍脹量大，造成混凝土襯砌隔板向上隆起架空，大多發(fā)生在灌區(qū)的干支渠，水面以上1 m以下邊坡、陰坡坡腳部位和渠道底中部。2）鼓脹和裂縫。裂縫一般會(huì)出現(xiàn)在渠道坡腳1/2左右以及渠道底中部，而鼓脹一般出現(xiàn)于干、支渠道面積較大的陰面混凝土板上。主要原因在于預(yù)制板尺寸不夠契合，與整體溫度收縮變形率不一致時(shí)，形成裂縫；當(dāng)縫隙間的止水材料不能夠與床體保持同等變形率，也會(huì)在分縫處發(fā)生斷裂。3）凍融滑塌。渠坡基土融化導(dǎo)致砌板滑落坡腳混凝土板移動(dòng)和上部襯砌下滑；也可能因凍脹造成架空隆起，破壞坡肢支撐和穩(wěn)定平衡，融化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生上部砌板下滑、移位或者重疊。

2.2 凍脹成因

灌區(qū)渠道建設(shè)多采用預(yù)制板或者現(xiàn)澆注襯砌板材，抗壓性有余，但冷熱伸縮度不強(qiáng)，導(dǎo)致拉伸變形和不均勻變形能力較差。所以，容易出現(xiàn)凍脹力和熱應(yīng)力破壞。

從其具體成因分析來看，主要有4個(gè)因素。1）水分條件：凍脹問題取決于起始含水率和地下水位2個(gè)因素，其中起始含水率在0.7～0.9之間易發(fā)生凍脹現(xiàn)象。地下水位深埋，水分不易達(dá)到凍結(jié)期；地下水位淺埋，很容易達(dá)到凍結(jié)期。2）渠基土質(zhì)來：其凍脹率與其敏感性密切相關(guān)，基土的敏感性取決于土質(zhì)本身的礦物成分、分散性和密度等方面。通過對(duì)新疆三屯河節(jié)水工程的不同粒徑凍結(jié)冰析出實(shí)驗(yàn)（見表1）分析，0.05～0.002 mm之間含有超過60%的土壤，這是產(chǎn)生凍脹的主要成因，對(duì)比《天然凍土凍脹分析標(biāo)準(zhǔn)》粉質(zhì)粘土的凍脹量最大，砂礫土的凍脹量最?。ㄒ姳?），新疆三屯河地區(qū)主要為粉質(zhì)粘土，凍脹危害更加嚴(yán)重。3）溫度條件：其對(duì)于凍脹的影響指標(biāo)指的是凍結(jié)速率，當(dāng)氣溫急劇下降時(shí)，凍結(jié)速率快，不會(huì)產(chǎn)生冰夾層，也不會(huì)引起凍脹現(xiàn)象。三屯河地區(qū)入冬季節(jié)氣溫反復(fù)，極易引起夾冰層。4）受力條件：主要包括襯砌板相互間的約束、襯砌板結(jié)構(gòu)與混凝土強(qiáng)度、基土的凍結(jié)力以及渠道的整體結(jié)構(gòu)等。渠道的整體結(jié)構(gòu)主要有弧底梯形。圖1（a）、U形斷面圖1(b）和弧形坡腳梯形圖1（c），由于存在襯砌，其力學(xué)作用能夠承受一定量的凍脹力，縮減凍脹量。通過對(duì)渠道凍脹量以及不均勻系數(shù)的比較來看，弧底梯形最優(yōu)，梯形渠道最差。

表1 不同粒徑凍結(jié)冰析出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示表（－2℃）

表2 黑龍江省水利科學(xué)院天然凍土分類表

3 防滲抗凍脹設(shè)計(jì)的方法

隨著國(guó)內(nèi)大量節(jié)水工程的興建，我國(guó)的防滲抗凍脹技術(shù)也在不斷地成熟，根據(jù)問題形成的原因分析，滲漏及凍脹破壞的大小取決于凍結(jié)時(shí)的凍脹作用和水分遷移情況，這些情況又與灌區(qū)渠道的土質(zhì)、負(fù)溫度、含水量以及工程結(jié)構(gòu)有關(guān)。在三屯河節(jié)水改造中要做到大最大限度的治理和防范問題的發(fā)生，就必須根據(jù)實(shí)際情況從斷面設(shè)計(jì)、渠道襯砌、保溫等方面考慮，抓好襯砌結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、材料以及維修等細(xì)小內(nèi)容，在改造建設(shè)初期就著手進(jìn)行防滲抗凍脹處理。

3.1 節(jié)水改造工程斷面的設(shè)計(jì)施工

對(duì)節(jié)水改造工程渠道的防滲斷面的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)渠道水流量大小，結(jié)合施工工期、渠道斷面現(xiàn)狀、施工條件質(zhì)量和回填土來源等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照不同的地域使用了3種斷面設(shè)計(jì)?？偢汕捎昧嘶∧_梯形渠斷面如圖1（c）、干支渠采用弧底梯形渠斷面，圖1（a）、支渠和斗渠適用“U”形渠斷面如圖1（b）?！癠”型斷面施工后濕周短，水流效果好，可以有效改善渠道坡腳凍脹后產(chǎn)生的應(yīng)力聚集情況，使凍脹應(yīng)力均勻分布在渠道橫斷面上，有效適應(yīng)融沉變位。在施工中加強(qiáng)了質(zhì)量把控和檢測(cè)，對(duì)虛土和淤泥進(jìn)行了很好的處理，不允許超挖，對(duì)欠缺部分進(jìn)行密實(shí)回填，高邊坡渠道整坡和清淤的泥沙遠(yuǎn)離渠道，減輕邊坡壓力。

圖1 渠道整體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 節(jié)水改造工程渠道襯砌設(shè)計(jì)與施工

三屯河節(jié)水改造工程對(duì)于渠道襯砌結(jié)構(gòu)的選擇上是根據(jù)增加砌體強(qiáng)度、降低基礎(chǔ)含水率和抵抗凍脹的角度來考慮，在水位較高、流量較小且對(duì)于地質(zhì)條件要求不是很高的渠段采用“U”形現(xiàn)澆式構(gòu)造。在弧腳梯形較大的斷面和地下水位相對(duì)較高的渠段，也是凍脹危害的重要渠段，采用鋼筋預(yù)制混凝土板。預(yù)制的混凝土板襯砌采用寬縫結(jié)構(gòu)，錯(cuò)縫安裝。寬縫回填采用一級(jí)配摻微膨脹劑的C15豆石混凝土，使縫寬與混凝土預(yù)制板厚度持平，寬度設(shè)定為5～8 cm，這樣有助于補(bǔ)償混凝土收縮，提高縫隙結(jié)合度，提高防滲性能。錯(cuò)縫安裝的預(yù)制板，有助于分散凍脹產(chǎn)生的應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。運(yùn)用寬縫結(jié)構(gòu)，錯(cuò)縫安裝的混凝土預(yù)制板可以有效提高穩(wěn)定性，提高抗凍脹能力。

3.3 運(yùn)用隔熱保溫措施

目前，美國(guó)、日本等國(guó)家都在研究運(yùn)用隔熱保溫措施來提高水利工程的抗凍脹性能。我國(guó)也有部分水利工程采用鋪設(shè)聚乙烯塑模配合混凝土預(yù)制板，結(jié)果證明可以有效提高防滲效能和減少凍脹量。在三屯河改造工程中，在一些地下水位高于渠底凍深的強(qiáng)凍脹渠道上，采用了混凝土預(yù)制板復(fù)合加鋪聚乙烯泡沫板的形式施工。聚乙烯泡沫板隔熱性能好，導(dǎo)熱量系數(shù)低，而且其低吸水性能也能有效防治滲漏。在施工中綜合考慮工程需求和成本，根據(jù)土質(zhì)、凍深和凍結(jié)指數(shù)情況，在重要河段中采用3 cm厚度聚乙烯泡沫板。聚乙烯泡沫板的厚度一般為設(shè)計(jì)凍深的1/10～1/15。

4 結(jié) 語(yǔ)

在三屯河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程完成以來，針對(duì)出現(xiàn)的凍脹危害情況，采取了提高防滲抗凍脹能力的渠道斷面，運(yùn)用混凝土預(yù)制板寬縫與錯(cuò)縫結(jié)合的襯砌施工方法,提高混凝土預(yù)制板的伸縮性。借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)理念和技術(shù)在一些高危河段采用混凝土預(yù)制板配合鋪設(shè)聚乙烯泡沫板的施工形式加強(qiáng)保溫隔熱能力，最大限度提高防滲抗凍脹能力?？箖雒浀男录夹g(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。改造工程提高了灌區(qū)的水資源利用率，為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水利的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］盧靜.三屯河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程效益淺析［J］.水利經(jīng)濟(jì)，2014（2）.

［2］張曉鋒.續(xù)建配套節(jié)水改造工程渠道防滲抗凍脹技術(shù)淺析［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011（7）.

［3］李金娜.淺談三屯河灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水“總量控制、定額管理”［J］.農(nóng)林科學(xué)，2010（7）.

［4］薛塞光.寒冷區(qū)大型灌區(qū)干渠節(jié)水改造及襯砌關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用［J］.2011年全國(guó)灌區(qū)信息化建設(shè)與防滲抗凍脹新技術(shù)應(yīng)用?？?，2012（5）.

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