新疆渠道襯砌工程抗凍脹的探討

白光劍

(新疆奇臺縣水管總站開墾河渠首管理站，新疆 奇臺 831800)

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新疆渠道襯砌工程抗凍脹的探討

白光劍

(新疆奇臺縣水管總站開墾河渠首管理站，新疆 奇臺 831800)

在我國的高寒地區(qū)，凍脹因素不利于襯砌渠道，在渠道工程建設過程中，解決抗凍脹問題也是當前急需解決的一大難題。重點研究了在我國新疆高寒地區(qū)，如何解決抗凍脹問題過程中的基土置換墊層、隔熱保溫、透水襯砌、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等幾個方面，希望能對我國西部高寒地區(qū)的灌區(qū)加固改造工作有所幫助。

新疆；渠道襯砌工程；抗凍脹模式

新疆主要位于亞歐大陸的內(nèi)部，長年干旱少雨，嚴重缺少水資源。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要大量的用水，長期存在著缺水與浪費水資源的情況，新疆地區(qū)要想實現(xiàn)國民經(jīng)濟的健康增長，則首先要解決農(nóng)業(yè)水資源的利用效率問題。利用渠系水利用系數(shù)可以有效得出灌區(qū)水資源的利用效率。因為新疆地區(qū)非常寒冷，在每年的冬、春二個季節(jié)混凝土渠道會出現(xiàn)嚴重的凍脹破壞現(xiàn)象，因此渠系輸水過程中存在著大量的滲漏現(xiàn)象。

1　渠道襯砌工程凍融破壞機理分析

1.1砼板凍融破壞機理分析

1.1.1砼板凍融破壞機理

機理主要指的是砼板在吸水飽和過程中發(fā)生凍融時，要面臨二個方面的破壞應力：一砼中的毛細孔水在溫度達到0度以下時出現(xiàn)物態(tài)變化，水凝結(jié)成冰，從而體積會不斷增大，但毛細孔壁會制約其增大于是產(chǎn)生膨脹壓力，會于孔四周的微觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)拉應力；二表面張力也會發(fā)生不同程度的作用，砼毛細孔隙中的水冰點會由于孔徑的縮小而不斷下降。所以冰和過冷水因為飽和蒸汽壓差和過冷水間的鹽分濃度差導致水分流動出現(xiàn)滲透壓。再有凝膠也會越來越大，產(chǎn)生較大的膨脹壓力，一旦砼出現(xiàn)凍傷，上述二種壓力則會使砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，只有凍融現(xiàn)象多次反復出現(xiàn)，導致?lián)p傷越來越大，于是產(chǎn)生相互間溝通的裂縫，砼板的強度達不到原來的要求，有的還會完全喪失[1]。在實際生產(chǎn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，如果砼存在的環(huán)境較為干燥則不會出現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象，因此只有具備飽水狀態(tài)時，砼板才會發(fā)現(xiàn)凍融現(xiàn)象，再就是由于外界氣溫不斷出現(xiàn)正負變化，導致砼孔隙中的水多次出現(xiàn)凍融現(xiàn)象，由于存在上述二個條件，因此砼凍融破壞首先出現(xiàn)于砼的表面。如很多地區(qū)的渠道防滲砼板和現(xiàn)澆砼防滲渠道可以看到很多沙石露在外面、表層掉落、體積增大、結(jié)構(gòu)不實等現(xiàn)象，都是由于上述原因造成的。

1.1.2砼板凍融破壞影響因素

有多種因素會造成砼的凍融現(xiàn)象。一建設砼板時所有的主要材料性質(zhì)，如水泥的種類、水泥中的組成成分都會影響砼的耐久性；二施工工藝不同，沙石的配合比、砼的施工、硬化條件都會嚴重影響到砼板的耐久性，再就是砼中的單位用水量也會造成砼的凍融現(xiàn)象；三施工質(zhì)量不同，砼的施工質(zhì)量也非常重要，嚴重影響到砼板的抗凍性。

1.2砼渠道的凍脹破壞

通過對新疆地區(qū)渠道的觀察分析，發(fā)現(xiàn)引起渠道凍脹破壞的主要類型有以下幾個方面：

1.2.1凍脹隆起引起的破壞

是最為常見的一種凍害方式，在現(xiàn)澆的砼渠道，一般出現(xiàn)于邊坡底部三分之一處，常常是一條或幾條縱向裂縫與板面垂直并向外突起。在預制砼板襯砌的渠道，主要是在距邊坡底部三分之一處出現(xiàn)裂縫，坡腳的第一塊砼板與第二塊砼板間的接縫裂開同時向外突起。出現(xiàn)這種情況的位置通常都是渠道容易積水的部位。造成凍脹突起的主要因素就是由于氣溫的改變，基土出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。

1.2.2渠道濕陷、沉降引起的破壞

因為渠道修建的路途較長，會遇到各種各樣的地形，在一些填方渠道中，行水時因為濕陷，導致渠道會出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象，于是渠道產(chǎn)生滲漏，在不用水后會存在大量的積水，這時也會發(fā)生凍脹現(xiàn)象。由于產(chǎn)生沉陷所以砼襯砌面會產(chǎn)生裂縫，渠道會出現(xiàn)嚴重的滲漏現(xiàn)象，出現(xiàn)凍脹情況[2]。

1.2.3凍融流土滑坡引起的破壞

凍融流土滑坡型破壞一般出現(xiàn)于每年的春季用水時。主要就是由于土體支撐砼板的力度減小，泥土會和砼板一起流入渠中，大量的泥土會堵塞渠道，水流不能正常通過，水位越來越高，會漫過渠堤，渠道因此產(chǎn)生決口。

2　渠道抗凍脹模式及其比較

2.1改變渠道結(jié)構(gòu)形式

主要應該做好砼的強度工作，提高砼強度到C20以上；控制水灰比不高于0.55，再就是利用摻入引氣型外加劑也可以有效抵抗寒冷。選擇斷面型式時使用剛度較大的斷面，如“U”型渠槽、圓底三面型斷面、圓底、圓腳梯形斷面等型式。砼板應該先鋪設塑料薄膜，將3 cm厚的水泥砂漿鋪設于塑料薄膜與砼板之間。在現(xiàn)澆砼渠道，可以在渠底中部與渠坡底部三分之一處預留一條伸縮縫，可以解決凍脹突起變形現(xiàn)象。在設計砼板結(jié)構(gòu)時，可以選擇受力條件最好的六角形，淘汰傳統(tǒng)意義上的方板，也可以有效應對渠道凍脹變形。

2.2切斷凍土地基的水分補給

上面已經(jīng)分析了引起土體凍脹的三個因素，只有這三個條件同時存在時才會出現(xiàn)凍脹情況。只要限制其中的任何一個條件，就可以解決凍脹現(xiàn)象。分析新疆地區(qū)的氣候條件，其外部溫度不易達到正溫以上，所以只能利用各種保溫手段使內(nèi)部不出現(xiàn)負溫。在過去較長時期內(nèi)，大多利用切斷凍土地基在凍結(jié)前后的水分補給的手段來應對凍脹，再有，如果能夠改變渠基土體的基本結(jié)構(gòu)也可以有效解決土體的凍脹情況[3]。

要想解決凍土地基在凍結(jié)前后的水分補給問題，一般都利用高填或排水的手段來切斷水分的進入。但受土體顆粒與物理力學的影響，還會受到毛細水的作用。一般情況下，毛細水會達到地下水面2米以上，也會在渠道的凍脹破壞中發(fā)生較大作用。所以，如果應用細顆粒土體，則一定會存在水分的補給現(xiàn)象，出現(xiàn)毛細水的凍脹情況。

2.3改變基土的基本結(jié)構(gòu)

要想改變基土的基本結(jié)構(gòu)首先要考慮渠基土的換填，也就是利用大顆粒的土體置換原來細顆粒的土體。這種做法主要有下面優(yōu)勢：一如果渠道附近就能找到大量的換填材料，則成本較低；二因為徹底換填了渠基，如果能夠保證施工質(zhì)量，那么渠道就會受到長久的保護。但也有下面這些缺點：一因為換填需要較大的厚度，因此土方需要較多，如果換填材料在附近沒有，那么就會出現(xiàn)較大的成本；二施工存在較多困難，在清除原來的渠基土方后，重新填上的砂土不能有效壓實，不易于害到施工規(guī)范要求；三不容易控制換填料的質(zhì)量，回填要求用含土量不高于5%的材料。在自然環(huán)境中一般情況下不易于找到。如果使用人工加工料，那么就會出現(xiàn)較大成本[4]。這種做法通常應用于凍土不深的地區(qū)，如果在凍土深度較大的地區(qū)使用，那么工程量就是一個較大困難。所以在實際操作時，常常會綜合應用幾種工程措施。如在渠道二側(cè)設置排水溝減少水分補給時，同時換填一定深度的基土。應用一些保溫措施，如使用砂或塑料，防止發(fā)生凍脹破壞現(xiàn)象。

2.4利用新型建筑材料

最近幾年，出現(xiàn)了一些新型建筑材料，在渠道的防凍脹過程中較多應用苯板。苯板的主要優(yōu)勢就是能夠有效保溫，可以使渠基土處于負溫以上，這種保溫原理等同于砂或塑料的保溫原理。分析當前關(guān)于苯板的抗凍試驗可以發(fā)現(xiàn)，10 cm厚的苯板達到保溫效果相當于100 cm的砂。比10 cm厚的砂加塑料的保溫效果要強很多[5]。它有著下面這些優(yōu)點：一可以有效抗凍，10 cm的苯板就能夠達到100 cm厚的砂的保溫效果；二易于施工，渠道開挖不需較大的斷面。不攏動基土，可以在基土上直接鋪設苯板，在苯板上直接襯砌材料；三如果條件適宜那么較需較少成本，不使用大型機械，只需少量勞動力。利用苯板可以不置換基土，因此不使用大型土石方機械。遇到基土換填材料較遠時，則可看到其具有更低的造價。但應用苯板防凍脹材料的也存在一些缺點：如果條件不適宜，那么對比于換填手段則會出現(xiàn)較高的造價。如果基土換填材料較近那么應用這種做法則會導致造價過高[6]。

3　新疆渠道抗凍脹模式運用實例

渠西干渠設置為梯形斷面，渠的深度達到了3.3 m，底部寬2.15 m，邊坡比為1：1.5，可以容納水深為2.59 m。兩側(cè)渠堤寬度為2.5 m，渠道外邊坡比也為1：1.5。渠道襯砌采用70 mm 厚的C20預制砼板，砼板下部為60 mm 厚的苯板，采用粉細沙作為防凍脹渠基土，顆粒不大，有著較好的保水性，經(jīng)苯板防凍脹處理后，在使用8 a過程中，沒有出現(xiàn)凍脹破壞現(xiàn)象[7]。

第一分水樞紐北岸干渠根據(jù)不同渠段的實際情況，在防凍脹措施上分別采用了不同的做法。上段8 km置換了基土，下段根據(jù)實際情況，有的地段采取了鋪設10 cm厚苯板的做法，有的地段在邊坡上鋪設了苯板。在建設上段完成后，有的渠段出現(xiàn)了斷板和凍脹現(xiàn)象。對其進行分析可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)斷板的主要原因是換填的基土沒有壓實，施工單位沒有嚴格依據(jù)用料標準進行施工；出現(xiàn)凍脹的主要因素是換填基土級別較低，其中含有的細顆粒砂石較多。所以在解決渠道防凍脹過程中如果應用換填的做法，則首先要保證換填土的質(zhì)量和施工工藝。在實際施工過程中，要不斷提高施工質(zhì)量，但由于施工條件有限，要想達到這些目標則存在較多困難。北岸干渠下段在解決防凍脹時主要應用了苯板，易于施工，取得了較好的效果，但這種做法與換填基土的做法相對比，成本較高[8]。北干渠在解決防凍脹問題時應用了二種做法，一在砼板下鋪設60 mm厚的苯板，二置換40 cm厚以上的砂礫墊層。這二種做法保證了渠道斷面一致，兩兩對比發(fā)現(xiàn)，應用苯板做法投入資金2 611.67×104元，應用換填基土做法投入資金3 110.41×104元?？梢钥吹綉玫谝环N做法可以節(jié)約成本、易于施工，所以北干渠在解決防凍脹問題時全部采用鋪設苯板的做法。

[1]鄭鑫,葛建銳,劉少東,等.渠道襯砌凍脹破壞研究現(xiàn)狀與展望[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報.2014(06).

[2]蘆琴,王正中,劉計良,等.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)林科技大學學報(自然科學版).2010(01).

[3]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理與防治措施[J].河南水利與南水北調(diào).2009(11).

[4]王利軍.混凝土渠道抗凍脹設計及防凍害措施在西北凍土地區(qū)節(jié)水工程中的應用[J].水利規(guī)劃與設計.2009(06).

[5]吾斯曼·薩迪爾.灌區(qū)小型U形渠凍脹破壞研究與優(yōu)化[J].黑龍江水利科技.2015(01).

[6]劉俊軒.防止渠道凍脹的處理方式[J].水利科技與經(jīng)濟.2009(02).

[7]李國英,馮向楠.克孜加干渠防凍脹方案的選擇[J].甘肅農(nóng)業(yè).2012(07).

[8]逄煥春.淺議渠道凍脹處理方式的選擇[J].科技信息.2009(25).

2016-03-14

白光劍(1962-)，男，甘肅金塔人，工程師，主要從事水利方面的研究。

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1004-1184(2016)05-0151-02