渠道防滲工程設(shè)計(jì)及凍害防治方法研究

李佳綸

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

渠道防滲工程設(shè)計(jì)及凍害防治方法研究

李佳綸

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

混凝土渠道因裸露面積大，長(zhǎng)時(shí)間與水接觸，容易受到凍脹破壞，在我國(guó)北方地區(qū)，由于水資源缺乏，混凝土渠道是提高水資源利用率、防止水分下滲流失的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在冬季溫度極低的情況下混凝土渠道仍然擔(dān)負(fù)著輸水任務(wù)，因此凍害現(xiàn)象十分普遍，影響了工程效益的發(fā)揮。本文結(jié)合新疆塔里木河流域某大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目中的混凝土渠道的運(yùn)行情況對(duì)渠道混凝土凍害產(chǎn)生的原因作了分析，提出了渠道工程防止凍害的具體措施。

混凝土渠道；防滲工程；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；凍害防治

1 概 述

混凝土渠道具有防滲效果好、運(yùn)行安全等特點(diǎn)，在北方河流區(qū)域綜合治理和大型灌區(qū)配套與節(jié)水改造工程項(xiàng)目中起到了提高水資源利用率，改善自然環(huán)境，節(jié)約用水的作用。但是由于混凝土受風(fēng)化作用的影響比較大，在輸水過(guò)程中容易因溫度過(guò)低而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

2 混凝土渠道產(chǎn)生凍害的原因分析

混凝土凍害的產(chǎn)生一方面與溫度有關(guān)，另一方面與混凝土結(jié)構(gòu)本身成分有關(guān)?；炷林饕煞质巧笆?、水泥和水，這些材料根據(jù)一定的比例組合而成，由于這些建筑材料吸水性較強(qiáng)，而且韌性低、較脆，在輸水過(guò)程中長(zhǎng)期處于水中，水分會(huì)因混凝土結(jié)構(gòu)的吸水性而滲入結(jié)構(gòu)中，在冬季氣溫低于0℃時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)中的水分體積會(huì)膨脹，經(jīng)過(guò)多次凍脹和融化使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。從凍脹應(yīng)力角度來(lái)看，混凝土渠道的凍害形式主要有以下幾種。

2.1 鼓脹和裂縫

在秋冬溫度較低的季節(jié)，當(dāng)氣溫下降至0℃以下時(shí)，由于渠道內(nèi)基土含有水分，混凝土與渠道基土?xí)蛩哪潭鴥龀梢粋€(gè)整體，混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)承受著凍結(jié)力、凍脹力和混凝土結(jié)構(gòu)本身因熱脹冷縮所產(chǎn)生的拉力，當(dāng)這些應(yīng)力超過(guò)了混凝土在低溫環(huán)境下承受力的上限時(shí)混凝土板塊就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

2.2 架空隆起

塔里木河流域的很多渠道工程因天山雨雪融化下滲，地下水豐富、地下水位較高，當(dāng)冬季低溫時(shí)混凝土板與渠道基土凍成一個(gè)整體，基土中豐富的水分在凝固時(shí)膨脹，對(duì)混凝土板產(chǎn)生一種隆起、架空的力量，這種現(xiàn)象一般出現(xiàn)在坡腳或者渠底中部等地段，當(dāng)隆起架空力量超過(guò)混凝土板承受能力時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞。

2.3 滑塌

滑塌的出現(xiàn)有兩個(gè)方面的原因：?由凍脹引起混凝土板架空隆起時(shí)會(huì)破壞坡腳基土的支撐能力，混凝土板的墊層會(huì)失去穩(wěn)定性，當(dāng)基土內(nèi)的水分開(kāi)始融化時(shí)體積縮小，基土與混凝土板塊之間出現(xiàn)空隙，混凝土板塊會(huì)因?yàn)橄虏考芸斩刂障断禄e(cuò)位。?渠坡基土在溫度升高時(shí)，由于結(jié)冰融化失去支撐作用而導(dǎo)致渠坡基土出現(xiàn)大面積滑坡，致使坡腳的混凝土被推開(kāi)而滑塌。

3 混凝土渠道防滲工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 合理選擇渠道混凝土的結(jié)構(gòu)型式

合理選擇結(jié)構(gòu)型式是做好混凝土防滲渠道設(shè)計(jì)的第一步，也是基礎(chǔ)性工作。防滲渠道的設(shè)計(jì)要根據(jù)灌區(qū)面積、作物布局、地下水位以及渠道地形和土壤條件等因素，確定渠道的斷面尺寸。渠道的斷面型式對(duì)渠道的強(qiáng)度、渠道的整體性和使用年限有直接影響。目前，我國(guó)大部分混凝土防滲渠道都采用U形斷面，該渠道混凝土板由專門的U形板成型機(jī)預(yù)制。該結(jié)構(gòu)型式具有整體性好、強(qiáng)度高、各部位受力均勻、裂縫產(chǎn)生的可能性低、施工勾縫少、斷面尺寸小、占地少等特點(diǎn)，施工方便，防凍脹效果好。U形防滲渠道一般采用單層護(hù)面襯砌，在混凝土板之間設(shè)置橫向連接縫，可增強(qiáng)混凝土渠道強(qiáng)度和整體性，提高防凍能力。在防滲渠的頂部設(shè)置15～30cm的土壤頂板，能夠有效防止雨水滲入渠基帶走泥沙而破壞渠底。

3.2 防滲防凍害設(shè)計(jì)

混凝土渠道的凍害程度及破壞力與渠道基土凍結(jié)時(shí)水分的遷移情況和凍脹力大小有關(guān)，這些作用又取決于當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、土壤的含水量、溫度和工程結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)這些可能導(dǎo)致混凝土渠道凍害的因素采取措施能有效防止混凝土凍脹破壞。防止混凝土渠道發(fā)生凍害主要從兩個(gè)方面采取措施：?避免凍脹出現(xiàn)；?削減凍脹。

3.3 避免凍脹

在混凝土渠道線路的防滲規(guī)劃設(shè)計(jì)中為避免凍脹出現(xiàn)，要盡量避開(kāi)凍脹出現(xiàn)可能性較大的地區(qū)和凍脹性土區(qū)，盡量避免凍脹對(duì)混凝土渠道的作用。具體來(lái)講，?盡量避開(kāi)結(jié)構(gòu)松散的土層、淤泥沼澤以及地下水位過(guò)高的地段，要選擇不易產(chǎn)生凍脹的透水性強(qiáng)或者地下水位較低的地段；?盡量采用填方渠道；?盡量選擇地形較高的脊梁地帶規(guī)劃渠道線路；?加強(qiáng)對(duì)有滲水和地面回水地段排水設(shè)施的建設(shè)；?在渠道兩側(cè)設(shè)置林帶，種植一些根系發(fā)達(dá)的樹(shù)木，如柳樹(shù)，通過(guò)根系改善渠道基土環(huán)境，防止凍害發(fā)生。

3.4 削減凍脹

對(duì)于一些凍脹無(wú)法避免又不能改變線路的渠道應(yīng)盡量采取削減凍脹的措施，降低渠道混凝土結(jié)構(gòu)的凍害概率，將渠道基土的最大凍脹力通過(guò)人工手段削減至混凝土板塊所能承受的范圍內(nèi)。具體做法如下：?換填法，即在冬季土壤凍結(jié)能夠影響到的深度內(nèi)將混凝土板塊下的凍脹性土壤換成非凍脹性材料的方法；?隔熱保溫法，即在混凝土板塊的背后布設(shè)一層保溫材料，通過(guò)材料的隔熱作用降低冬季低溫對(duì)基土的作用，并且相應(yīng)地減少換填層的深度，從而阻擋換填層下層土壤水分的補(bǔ)給，減輕渠道基土的凍深和凍脹力；?沖擊壓實(shí)法，該方法在填土路基中應(yīng)用較為廣泛，在渠道基土工程中通過(guò)對(duì)基土進(jìn)行沖擊壓實(shí)增加基土的干密度，降低基土的孔隙率和透水性，在冬季低溫時(shí)能夠阻擋水分的遷移和聚集，達(dá)到削減甚至消除凍脹的效果。

3.5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

防滲渠道的斷面型式除了U形外，常見(jiàn)的還有矩形、梯形(包括弧形底梯形、弧形坡腳梯形)和復(fù)合型等，這些斷面型式由于適應(yīng)凍脹變形能力比較強(qiáng)，能在一定程度上減輕凍脹帶來(lái)的損害。根據(jù)甘肅省靖會(huì)電灌總干渠試驗(yàn)段的觀測(cè)，弧形底部受到不均勻凍脹導(dǎo)致的折角變形平均為0.18°，梯形平底折角變形平均為4.5′，弧形斷面能夠很大程度地減輕凍脹開(kāi)裂和邊坡結(jié)冰消融時(shí)導(dǎo)致的滑塌破壞。防滲渠道的斷面尺寸根據(jù)水力計(jì)算確定，梯形和矩形斷面一般選擇經(jīng)濟(jì)斷面，地下水位較高的地方可以選擇寬淺式斷面，確定斷面尺寸后要對(duì)渠道的平均流速進(jìn)行校核，使平均流速滿足不沖不淤的要求。渠道防滲設(shè)計(jì)在考慮防滲要求的同時(shí)還要注意地基的穩(wěn)定性問(wèn)題，要綜合考慮防滲、防凍脹、防基土變形及防土壤鹽堿化，在采用新技術(shù)時(shí)要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，使工程設(shè)計(jì)在滿足技術(shù)先進(jìn)的基礎(chǔ)上做到切合實(shí)際、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、運(yùn)行安全及經(jīng)久耐用。

4 混凝土渠道防凍害的管理與維護(hù)措施

4.1 做好用水管理

混凝土渠道在灌溉時(shí)要根據(jù)渠道的水源、供水量、農(nóng)作物需水量、渠道運(yùn)行狀況等合理編制調(diào)配水計(jì)劃，防止盲目用水造成水資源浪費(fèi)，避免過(guò)度用水導(dǎo)致水位超過(guò)混凝土板塊而進(jìn)入邊坡滲入地下，使渠道基土被水沖刷導(dǎo)致混凝土板塊架空造成冬季凍脹損害。

4.2 加強(qiáng)混凝土渠道的維護(hù)管理

混凝土渠道安全運(yùn)行離不開(kāi)日常的維護(hù)管理，因此，要加強(qiáng)對(duì)混凝土渠道運(yùn)行狀況的觀測(cè)，以便第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患并及時(shí)排除。在輸水過(guò)程中要對(duì)水流情況進(jìn)行觀測(cè)，在停止輸水期間要對(duì)區(qū)內(nèi)進(jìn)行檢查。如發(fā)現(xiàn)有障礙物阻擋水流，渠道混凝土結(jié)構(gòu)有裂縫和漏水，混凝土結(jié)構(gòu)表面有剝離、磨損、汽蝕現(xiàn)象，板塊與板塊之間的接頭脫落，伸縮縫內(nèi)的填充物流失，要在第一時(shí)間進(jìn)行處理和修復(fù)，防止問(wèn)題隨著輸水時(shí)間增加而越來(lái)越嚴(yán)重。

4.3 加強(qiáng)冬季管理

冬季是渠道混凝土凍害發(fā)生的主要時(shí)段，混凝土結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生凍脹破壞就會(huì)縮短渠道的使用壽命，因此必須要加強(qiáng)冬季渠道的管理，具體如下：?冬季渠道輸水灌溉必須要在日平均氣溫高于0℃時(shí)進(jìn)行，防止渠道內(nèi)水分結(jié)冰導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹破壞；?冬季降雪融化后要及時(shí)將積水排出渠道，防止雪后結(jié)冰破壞混凝土體；?要做好日常檢查工作，冬季氣溫低，風(fēng)化程度加大，即使晴天也會(huì)對(duì)渠道混凝土造成影響，在冬季，晝夜溫差大，混凝土結(jié)構(gòu)吸熱效果好，容易導(dǎo)致混凝土表面溫度過(guò)高而底部溫度過(guò)低，形成較大溫差，使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞，因此，要加強(qiáng)日常檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，防止渠道內(nèi)的水分深入渠基土反復(fù)凍融破壞防滲體；?渠道周邊的農(nóng)田要在氣溫下降到0℃以下前半個(gè)月結(jié)束灌水，防止渠道基土因含水量過(guò)高引起混凝土體凍脹破壞。

5 結(jié) 語(yǔ)

混凝土渠道在我國(guó)北方十分常見(jiàn)，而冬季氣溫低，凍害成為影響混凝土渠道使用的最主要因素，因此，在渠道設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量避免冬季凍害對(duì)渠道混凝土造成的損害，在日常使用過(guò)程中要加強(qiáng)渠道的檢查，做好日常維護(hù)管理，使渠道能夠最大程度地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 許廣鑫.我國(guó)渠道工程防滲技術(shù)的應(yīng)用探討[J].科學(xué)之友,2010(18):3-4.

[2] 王冬梅.渠道襯砌的凍害和濕陷防治探討[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月),2010(5):2-4.

Design of Channel Anti-seepage Project and Study on Prevention and Cure Method of Freezing Damage

LI Jialun

(XinjiangUygurAutonomousRegionWaterandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Urumqi830000,China)

Because the bare area is large and prolonged contact with water, concrete channels are vulnerable to frost heaving damage. In the northern part of China, due to lack of water resources, concrete channels are important infrastructure which can improve the utilization of water resources and prevent water infiltration loss. In winter temperatures are extremely low, the concrete channel is still responsible for water delivery tasks. So the phenomenon of frost damage is very common, affecting the project benefit. In this paper, the cause of freeze damage of concrete channel is analyzed in connection with the operation of the concrete channel in a large-scale irrigation area and water-saving reconstruction project in the Tarim River Basin, Xinjiang. The concrete measures to prevent frost damage of channel engineering are put forward.

concrete channel; anti-seepage control engineering; key points of design; prevention of frost damage

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.02.014

TV91

A

1673-8241(2017)02- 0064- 03