淺論均質(zhì)土壩迎水面混凝土蓋板受凍脹土破壞的機理及防治

(中國水電基礎(chǔ)有限公司，天津 301700)

1 研究背景

為了防止均質(zhì)土壩上游壩體受到上游水浪淘刷，避免雨水徑流、冰層、溫度變化、風(fēng)揚、動植物等對壩體產(chǎn)生破壞，一般都會在大壩迎水面設(shè)置護坡?，F(xiàn)澆混凝土蓋板作為一種施工方便、技術(shù)成熟、防護效果良好的護坡結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用。但是在我國北方高寒地區(qū)，均質(zhì)土壩體迎水面淹沒高程位置、位于浸潤線范圍內(nèi)的部分，在負溫的作用下土體結(jié)冰形成凍土，凍土下部的水在凍結(jié)過程中向凍土表面轉(zhuǎn)移富集，水相對集中，水與土壤顆粒形成冰透鏡或凍結(jié)夾層，使土壤體積增大，發(fā)生凍脹現(xiàn)象，位于最大凍土厚度范圍內(nèi)的土體受到凍脹效應(yīng)的影響最為強烈。土體發(fā)生凍脹效應(yīng)后，土體體積膨脹率一般情況下會達到10%～50%，使得壩體表層位于庫區(qū)結(jié)冰層范圍的土體出現(xiàn)凍土上抬、凍脹開裂等現(xiàn)象，由上抬的凍土產(chǎn)生的推力作用于其上部的混凝土蓋板，致使混凝土蓋板隨之向上抬動甚至產(chǎn)生裂縫(如圖1、圖2所示)。而到了春季氣溫由負轉(zhuǎn)正，水與土壤顆粒形成的冰透鏡或冰凍夾層逐漸消融，土體失去強度，使得在冬季上抬或開裂的混凝土蓋板失去支撐，導(dǎo)致混凝土蓋板塌陷或滑動。在凍融循環(huán)的作用下，土層上部的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性會遭到破壞，影響混凝土蓋板對均質(zhì)土壩上游壩體的保護效果。

圖1 混凝土蓋板上抬

圖2 混凝土蓋板塌陷、滑動、開裂

2 凍脹土的產(chǎn)生機理

壩體混凝土蓋板凍脹破壞是由于均質(zhì)土壩壩體土體及其上部至混凝土蓋板下部墊層料受凍后，體積膨脹產(chǎn)生向上的托頂力而導(dǎo)致。

土體受凍體積膨脹必須具備以下條件：?高寒地區(qū)氣溫長期持續(xù)在0℃以下負溫條件；?土壤中存在大量自由水、束縛水和毛細水，并且水分補給通道通暢、持續(xù)；?土壤本身的物理力學(xué)性質(zhì)，包括土的顆粒組成，礦物質(zhì)成分等。凍脹破壞是寒冷地區(qū)水工混凝土建設(shè)的一大難題，由土壤中的水、土體顆粒物理性質(zhì)和負溫所致[1]。

2.1 土粒子間自由水與束縛水的作用

均質(zhì)土壩壩體均質(zhì)土及其上層土體的土壤中均含水，這些土壤中的水主要是由填充在土粒子間的自由水和吸附在土粒子周圍的束縛水構(gòu)成(如圖3所示)，土粒子間隙的大小決定了自由水的多少，而粒子的總表面積是束縛水多少的決定因素。

圖3 土體中自由水、束縛水示意圖

在壩體上層、混凝土蓋板下層通常情況要鋪設(shè)粗砂墊層、砂礫混合墊層及碎石混合層等過渡層。在混凝土蓋板澆筑前還需鋪設(shè)蓋板墊層，一般為砂礫石墊層或碎石墊層，如圖4所示。

圖4 壩體示意圖

這些材料顆粒間隙都比較大，壩體淹沒高程位置以下部分在長期受庫區(qū)水浸泡下，處于水飽和狀態(tài)，粒子間隙內(nèi)由自由水填充，土體越松散、顆粒間隙越大，自由水越多。

均質(zhì)土壩壩體在填筑過程中，均采用分層碾壓、夯實等施工工藝，土壤中土粒子之間的間隙很小(個別老舊土壩由于其在施工期間，受限于當(dāng)時的技術(shù)水平、施工機械等客觀因素，碾壓、夯實后，土體密實度比起新建的土石壩來說有一定差距，故而土粒子間隙也比較大)，土體中的自由水含量相對較小，而束縛水的多少與土粒子間隙無關(guān)，只與土粒子的總表面積有關(guān)，所以，壩體均質(zhì)土土壤中的自由水幾乎可以忽略不計，土壤的含水量大小的決定性因素就是土粒子周圍的束縛水。束縛水的多少取決于土粒子的總表面積，組成土壤的土粒子顆粒直徑越小、數(shù)量越多，其總表面積越大，束縛水也就越多，即均質(zhì)土壩壩體土體性質(zhì)決定了束縛水的多寡。

所以，當(dāng)氣溫長期處于負溫條件下，土壤中的水在結(jié)冰時，體積會增大約9%，同時連帶著土壤體積也會跟著增大。土粒子間隙內(nèi)的自由水越多，土粒子總表面積越大，土壤體積膨脹率也越大。土壤在體積增大的同時，會對其上部的混凝土蓋板產(chǎn)生向上的推力，如果該力足夠大，將引起混凝土蓋板在該力方向上的位移，或使蓋板本身發(fā)生破裂，翹起，滑落[1]。

2.2 土體中水分遷移的作用

長期的負溫條件下，在土體顆粒表面吸附水之間存在的電位差和毛細水表面張力的共同作用下，土體顆粒間的毛細水會在溫度梯度的誘導(dǎo)下，順著通道由高溫部位向低溫部位遷移。尤其在壩體浸潤線以下部分的土體，毛細水有著充分的補水通道和補給源，冰層會越積越厚，凍脹現(xiàn)象會越來越嚴重。一般情況下，土體在發(fā)生凍脹時，其凍脹量為原體積的10%～50%。而由于毛細水的存在，土體中的水在發(fā)生遷移的情況下，凍脹量甚至?xí)_到原體積的若干倍。

不同類型、性質(zhì)的土體的凍脹量不同，土體顆粒粒徑?jīng)Q定著土體內(nèi)水分遷移的強度和凍脹量的大小。

a.巨粒土、含巨粒土(土體顆粒粒徑d>0.1mm)，一般認為不會發(fā)生水分遷移和凍脹，可不計算凍脹。

b.低液限黏土的凍脹量計算可按式(1)計算或圖5查得。當(dāng)?shù)叵滤宦裆畛^2.0m時，采用封閉系統(tǒng)條件下的方法計算。

h=1.25Zd0.71e-0.013ZW

(1)

式中h——地表凍脹量,cm；

Zd——設(shè)計凍深,cm，當(dāng)用于計算地基土凍脹量h1時，應(yīng)采用地基土設(shè)計凍深Z1；

e——指數(shù)；

ZW——凍前(凍結(jié)初期)天然地表或設(shè)計地面高程算起的地下水位深度,cm，當(dāng)用于計算地基土凍脹量h1時，采用自底板底面高程算起的地下水位深度。

圖5 低液限黏土的凍脹量

c.粉土、高液限黏土、土體顆粒粒徑d<0.075mm的粒組含量占總質(zhì)量的20%～50%的細粒土質(zhì)砂(礫)類土的凍脹量可按式(2)計算或由圖6查得。當(dāng)?shù)叵滤宦裆畛^2.0m時，采用封閉系統(tǒng)條件下的方法計算。

h=1.95Zd0.56e-0.013ZW

(2)

圖6 粉土的凍脹量

d.粒徑小于0.075mm的粒組含量占總質(zhì)量的10%～20%的砂類圖和礫類土的凍脹量可按式(3)計算或由圖7查得。當(dāng)?shù)叵滤宦裆畛^2.0m時，采用封閉系統(tǒng)條件下的方法計算。

h=0.13Zde-0.02ZW

(3)

圖7 砂(礫)類土的凍脹量

e.封閉系統(tǒng)條件下的地表凍脹量可按式(4)計算：

h=0.45Zd(ω-0.8ωp)

(4)

式中h——地表凍脹量,cm；

Zd——設(shè)計凍深,cm；

ω——凍結(jié)層平均含水率,%；

ωp——素限含水率,%。[2]

所以，當(dāng)土體顆粒粒徑d>0.1mm 時，即使土體處于水飽和狀態(tài)，在凍結(jié)過程中也不會發(fā)生土體顆粒間的水分遷移和凍脹現(xiàn)象。而當(dāng)土體中土體顆粒存在d<0.075mm的細粒土?xí)r，就會發(fā)生水分遷移和凍脹，而其總質(zhì)量超過土體質(zhì)量的10%，其凍脹量就會隨著土體中的含水量產(chǎn)生明顯變化。根據(jù)研究資料，一般情況下認為d<0.05mm的粉黏粒含量大于12%的粗粒土被認為是產(chǎn)生水分遷移和凍脹的臨界值。d=0.05～0.002mm時,土中水分遷移劇烈, 土具有強凍脹性。當(dāng)d<0.002mm時土凍結(jié)時的水分遷移和凍脹現(xiàn)象反而減弱[3]。

由此可知，從土體顆粒粒徑角度來看：土體顆粒粒徑d>0.1mm的土體中，由于其含有的水分少，在凍結(jié)成冰的過程中，產(chǎn)生的凍結(jié)膨脹力較小，對大壩的混凝土蓋板產(chǎn)生的破壞性有限；土體顆粒粒徑 在0.05mm

3 凍脹破壞的防治措施

凍脹破壞作為水利工程中比較常見的現(xiàn)象之一，對水利設(shè)施尤其是北方高寒地區(qū)的水利設(shè)施、結(jié)構(gòu)物具有極大的威脅，而均質(zhì)土壩迎水面的混凝土蓋板受此影響更為劇烈。通過對產(chǎn)生凍脹的原因、機理進行分析研究，并不斷進行實踐、試驗、論證，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H氣候特點，在使用相應(yīng)抗凍等級抗凍混凝土的前提下，一般通過以下方法對凍脹現(xiàn)象進行預(yù)防、治理。

3.1 粗粒土取代細粒土

在d<0.075mm的細粒土中，束縛水多于自由水，且土體中水分遷移現(xiàn)象劇烈，具有極強的凍脹性。如果通過采取合理的排水措施來減少土體在凍結(jié)前后的水分補給，可以起到一定的作用，但是細粒土中由于毛細水的存在，同樣會向凍結(jié)鋒面進行源源不斷的水分補給，形成補水通道，對壩體上部的混凝土蓋板產(chǎn)生凍脹破壞。因此，在細粒土中，完全切斷土體中的水分補給是不可能的。在粗粒土中，自由水含量較大，束縛水相對細粒土來說較少，即使土體處于水飽和狀態(tài)，在凍結(jié)過程中也不會發(fā)生土體顆粒間的水分遷移和凍脹現(xiàn)象。如果在最大凍土深度范圍內(nèi)，用粗粒土換填細粒土，就會明顯減輕凍脹破壞的后果。同時，粗粒土還具有一定的保溫作用，對內(nèi)部細粒土在負溫條件下起到保護作用。

這種方法在壩址附近有大量粗粒土且凍土深度不是太大的地區(qū)，可以采取，但是需注意土料的質(zhì)量。如壩址所在地區(qū)的最大凍土深度較大，需要換填的工程量很大，且壩址周邊粗粒土儲量有限，須從外部調(diào)土，運距較遠的同時還需要大量的機械設(shè)備，這種方法不經(jīng)濟。同時，如果用粗粒土換填細粒土，在施工時粗粒土很難達到規(guī)范所要求的夯實要求，施工難度較大。

3.2 采取保溫措施減少負溫影響

壩體凍脹的原因除了土體中水的因素外，最為重要的因素就是負溫的影響。尤其在北方高寒地區(qū)，由于其負溫期長、溫度低，產(chǎn)生凍脹的危害性巨大。對壩體采取合理的保溫措施，減少負溫對壩體的影響，使壩體的土體不發(fā)生凍脹，更能有效地保護上部混凝土蓋板。

通常根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點，采用不同厚度砂或戈壁土墊層對壩體進行覆蓋保溫，使壩體受到保護后減小負溫對土體的影響，進而減小凍脹。

近年來，苯板保溫由于其良好的經(jīng)濟性、保溫性及低施工難度，應(yīng)用越來越普遍。試驗資料表明，10cm厚的苯板就可達到100cm厚砂或戈壁土墊層的保溫效果。在進行施工時，不需要特殊處理，只須直接將根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽疃扔嬎氵x定的一定厚度的苯板置于壩體上固定后，在其上部進行混凝土蓋板澆筑施工。相對于換填來說施工工藝極為簡單，減少了大量的人工及施工機械設(shè)備。通過處理后，即使在溫度低、冰凍期長的極寒地區(qū)，壩體由于受到保溫苯板的保護，在負溫條件下土體也不會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，也就不會產(chǎn)生向上的膨脹力使上部蓋板翹起、開裂。

4 結(jié) 語

綜上所述，凍脹破壞作為一種在高寒地區(qū)比較普遍的現(xiàn)象，如果不進行預(yù)防、處理，會對上部建筑物結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定造成巨大威脅。尤其是均質(zhì)土壩，由于其壩體的特點決定了其浸潤線以下部分土體必然處于飽和狀態(tài)，受凍脹影響最為劇烈。通過對其采取合理措施，如在設(shè)計時考慮凍脹因素、在施工時采用凍脹量小的填筑材料、對壩體采取正確的保溫措施，將凍脹的影響減到最小，從而最大限度地保護壩體及上部混凝土結(jié)構(gòu)。