新疆渠道襯砌工程抗凍脹模式的選擇及實施探討

孟 磊

(新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市水利局，新疆 吐魯番838000)

從新疆地區(qū)的地理特點來看，可以發(fā)現(xiàn)新疆靠近亞洲內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，是典型的溫帶大陸性氣候。氣溫溫差較大，全年的日照時間十分充足，降水量少，年平均降水量只有150毫米左右。在新疆地區(qū)，受到凍土嚴(yán)重危害的就是高山地區(qū)，其就是因為新疆地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造以及殘酷的氣候條件造成。

1 渠道襯砌工程凍脹的主要影響因素

總體來說，影響渠道凍脹的原因是土壤本身的因素以及凍結(jié)時各種外來因素[1]。首先從土的分散性而言，其中土顆粒尺寸是土凍結(jié)時水分遷移與凍脹過程中最有價值的指標(biāo)。當(dāng)土的粒徑變細(xì)，土粒與水的相互作用增強(qiáng)，土壤滲透性變小，其中至粉粒含量較高時凍脹性最強(qiáng)，如果是黏粒為主時，凍脹性降低。當(dāng)土壤顆粒尺寸在0.05～0.005的分離土類凍脹性最強(qiáng)。具體見圖1。

圖1 土壤凍脹強(qiáng)度歲礦物顆粒尺寸的變化示意圖

排除大氣降水和人為灌溉的因素，當(dāng)土壤凍結(jié)時，只需要了解土壤當(dāng)中地下水位的具補(bǔ)給條件就大致能夠得到未凍結(jié)地區(qū)的水分向凍結(jié)地區(qū)遷移的數(shù)量以及時間。在我國新疆地區(qū)其相關(guān)政府部門已經(jīng)設(shè)計了大型的現(xiàn)場凍脹試驗場，其主要目的就是為了實地觀測地下水埋深對土壤凍脹的影響。試驗發(fā)現(xiàn)地下水位埋置深度直接影響了土壤的凍脹強(qiáng)度[2]。

而溫度對土凍脹的影響主要是觀察期凍脹鋒面的前進(jìn)速度。另外，土層上覆的附加荷載，會導(dǎo)致土層脫水固結(jié)，增加了土層的密實度，影響水分遷移。

此外，渠道的走向也會對凍脹產(chǎn)生一定的影響[3]。其在南北走向問題上凍結(jié)規(guī)律沒有太大差別，但是坡頂?shù)氖茱L(fēng)作用較大，含水量較小，因此從渠道襯砌工程而言其渠坡上部凍深影響最大，渠底最小。從東西走向而言，陰陽兩坡的凍深與凍結(jié)情況差別比較明顯。

2 渠道襯砌工程凍脹的具體破壞機(jī)理

渠道襯砌工程當(dāng)中的襯砌體受到凍脹影響主要部位是襯砌體下土體。土壤是多孔、多相的松散介質(zhì)，凍結(jié)作用導(dǎo)致土壤凍脹，原因就是水的密度是 1 t/m3，冰的密度為 0.92 t/m3，當(dāng)土壤當(dāng)中的水分變成冰之后，體積就會膨脹9%，產(chǎn)生的凍脹力會將土顆粒排開，導(dǎo)致土體當(dāng)中的孔隙水不受到土顆粒電分子引力的約束，造成凍結(jié)。當(dāng)土壤顆粒較細(xì)時其受到的電分子引力約束就越強(qiáng)，凍結(jié)的時間就越緩慢。因此，可以發(fā)現(xiàn)在土體凍結(jié)的過程當(dāng)中，大孔隙當(dāng)中的自由水先被凍結(jié)，將土體當(dāng)中的大顆粒抬起，之后小孔隙當(dāng)中的水杯凍結(jié)將大顆粒持續(xù)抬高，形成了凍結(jié)過程當(dāng)中土顆粒垂直位移的現(xiàn)象，與此同時土體在凍結(jié)的過程當(dāng)中水出現(xiàn)水分向冷鋒面遷移的現(xiàn)象，另外凍結(jié)會導(dǎo)致土壤當(dāng)中的顆粒以及孔隙在空間排列和組合上由無序變成有序，減小土體密度，最終影響渠道襯砌工程的岸坡穩(wěn)定性。

渠道襯砌工程遭受凍害呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，一般陽坡比陰坡要更加嚴(yán)重，凍結(jié)歷時長的比凍結(jié)歷時短的嚴(yán)重，襯砌工程出現(xiàn)問題其受到的凍害更嚴(yán)重。另外，在地下水位置或者是周邊位置其渠道襯砌受害最嚴(yán)重。

3 新疆渠道襯砌工程抗凍脹模式分析

3.1 混凝土渠道襯砌工程抗凍脹模式

1)設(shè)置不同縱縫結(jié)構(gòu)[4]。建立一個有限元模型，由于襯砌板不設(shè)縱縫對凍土以及基土的溫度場沒有影響，因此該方面不考慮。從最終的模擬分析得知，渠床之所以產(chǎn)生不均勻凍脹是因為槽形的渠道改變了以往的水分等各種因素，再加上朝向的改變，凍脹防線是沿著渠側(cè)向里渠底向上，襯砌板凍脹量隨著凍深的增大而增大。從渠底板凍脹變形來看，由于兩端受到邊坡的約束，凍脹變形為中部大兩端小。

2)考慮到新疆的特殊氣候環(huán)境最好是選用柔性增強(qiáng)聚合物水泥防水涂層材料，選擇的這種涂層薄膜必須具有一定的彈性以及強(qiáng)度，目的就是為了保證其在未來出現(xiàn)的凍脹變形當(dāng)中不會損害其與基底粘結(jié)強(qiáng)度，有效保證其防滲功能的完整性。在完成了涂層薄膜的覆蓋工程之后，再進(jìn)行渠道開挖、整坡之后，設(shè)置一個80～100 mm厚的低標(biāo)號干硬性砂漿層，水泥、砂、水比例為1:6:1，完成鋪設(shè)工作之后進(jìn)行碾壓、鑿平，此舉是為了提高其排水能力。渠道中還應(yīng)該設(shè)計集中性的排水溝，坡降程度要大于渠道坡降水平，目的就是有效傳遞荷載至地基[5]。

3)防滲體有多種，其中的瀝青混凝土與普通混凝土相比，其具有良好的變形性能與抗?jié)B性能，兩者性能比較見表1。

表1 普通混凝土與瀝青混凝土性能比較

4)采用聚合物水泥基復(fù)合材料，其與普通混凝土相比，不管是從抗折能力、抗壓強(qiáng)度還是粘結(jié)強(qiáng)度都具有明顯優(yōu)勢[6]。另外，聚合物水泥基復(fù)合材料具有良好的延伸性與柔韌性，當(dāng)渠道襯砌工程的基層出現(xiàn)裂縫時，聚合物水泥基復(fù)合材料能夠展現(xiàn)出良好的隨動性，如果出現(xiàn)裂縫裂紋，其滲漏水能夠讓裂紋自行封閉，但是需要注意的是聚合物水泥基復(fù)合材料也只能是針對細(xì)小裂紋才有此效果。

3.2 高地下水位濾透式剛?cè)狁詈弦r護(hù)模式

高地下水位區(qū)灌溉取代由于其特殊的水文條件導(dǎo)致渠床地下水外滲溢出點正好位于渠底位置。部分工程采用的是砼預(yù)制板的方式，但是這種方式在初期會有一定的效果，如果出現(xiàn)大量的給水就會導(dǎo)致邊坡凍脹滑塌嚴(yán)重，大大降低了襯砌工程的使用壽命。

1)為了能夠提高襯護(hù)結(jié)構(gòu)的抗凍脹性能，有效保證結(jié)構(gòu)的整體性與變形適應(yīng)性，渠道的斷面采用梯弧形斷面方式，渠底采用圓弧形式與邊坡連接，襯護(hù)結(jié)構(gòu)主要由渠側(cè)構(gòu)件與渠底構(gòu)件組成。

2)考慮到渠側(cè)構(gòu)件不僅要起到支護(hù)作用，還需要對內(nèi)嵌塊石起到固定作用，另外還需要通過塊石孔隙將滲水排出。關(guān)于構(gòu)件型式的設(shè)計要保證其結(jié)構(gòu)簡單、既便于預(yù)制又便于運輸，還要保證具有一定的堅固性。

3)關(guān)于渠底襯護(hù)構(gòu)件，在外形上為弧形條狀構(gòu)件，其圓弧半徑在50～60 cm范圍為最佳，其寬度在15～20 cm之間，厚度在10 cm。

4 新疆渠道襯砌工程抗凍脹模式實施

本文案例中的新疆某地區(qū)采用的是濾透式剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)的襯護(hù)工程。其中關(guān)于引水渠的流量設(shè)計，選擇為0.86 m3/s，采用襯護(hù)的長度為400 m，渠道比例為1:1600.采用梯弧形斷面，邊坡比采用1:1，渠底圓弧半徑取65 cm，渠深110～135 cm，渠道口寬310～380 cm，在邊坡直線段設(shè)置二層襯護(hù)構(gòu)件。在為期兩年的觀察中，該地區(qū)采用這種襯護(hù)方式渠底高程最大的變形量為3 cm，單側(cè)的凍脹量不超過2 cm，在兩年的使用過程中變形情況基本保持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。這一結(jié)果表明針對新疆這種氣候條件采用濾透式剛?cè)狁詈弦r護(hù)結(jié)構(gòu)能夠較好地發(fā)揮出固坡導(dǎo)滲作用，有效降低了邊坡滑塌的現(xiàn)象發(fā)生率。采用的這種襯護(hù)工程由于其自重力作用較為明顯因此能夠發(fā)生的變形量極小，之所以選擇這種類型的工程也是因為即使是進(jìn)入到封凍期不會產(chǎn)生凍脹破壞，只會出現(xiàn)小范圍的變形。

5 結(jié)語

總而言之，關(guān)于新疆地區(qū)的渠道襯砌工程抗凍脹模式的選擇，首先需要充分了解當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件特點等相關(guān)性因素，同時還需要考慮到適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)成本、施工難以程度等各個方面的因素，再在此基礎(chǔ)上從相關(guān)理論文獻(xiàn)與實際的應(yīng)用中總結(jié)經(jīng)驗，有效避免渠道襯砌工程出現(xiàn)斷板與凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。

[1]林偉民，李宏安.國家首套大型渠道襯砌成套裝備通過驗收[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化. 2012，17(03):203.

[2]葛建銳，劉少東，劉金云.渠道襯砌凍脹破壞研究現(xiàn)狀與展望[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報.2014，21(06):165 －166.

[3]王正中，劉計良，劉旭東.弧腳梯形襯砌渠道抗凍脹及水力合理斷面的分析[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2010，17(01):196.

[4]佘光榮，劉柏冬.渭干河灌區(qū)混凝土防滲渠道的凍脹破壞及防治措施[J].黑龍江水利科技.2011，37(01):263 －264.

[5]王利軍.混凝土渠道抗凍脹設(shè)計及防凍害措施在西北凍土地區(qū)節(jié)水工程中的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計.2010，19(06):287－288.

[6]李沛煒，姚亮，孫鳳梅.南水北調(diào)中線工程渠道襯砌體凍脹機(jī)理與防治措施[J].河南水利與南水北調(diào).2013，27(11):259－260.