渠道混凝土凍脹破壞的原因及防治措施研究

王淑芹 遼寧省朝陽(yáng)市喀左縣水利局

混凝土渠道凍脹破壞一般是在我國(guó)北方地區(qū)發(fā)生，主要由于溫度過低，渠道混凝土結(jié)構(gòu)中滲水結(jié)冰，進(jìn)而使得渠道被破壞。為此本文對(duì)混凝土渠道凍脹破壞以及防治措施展開詳細(xì)的分析。

1.渠道混凝土凍脹破壞原因分析

1.1 凍融破壞

混凝土板是薄板結(jié)構(gòu)，板厚度為6到15cm，主要是由水泥、水、砂石以及外加劑等共同膠結(jié)構(gòu)成。因?yàn)榛炷了磻?yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)有細(xì)小的縫隙，同時(shí)砂石等材料自身具備一定吸水作用，再加上渠道混凝土板長(zhǎng)期在有水環(huán)境使用，所以在冬天零下溫度的條件下，混凝土渠道板內(nèi)部空隙中存在的水會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，因?yàn)樗Y(jié)冰體積會(huì)增大0.09倍，所以發(fā)生膨脹的現(xiàn)象。水成冰導(dǎo)致的體積膨脹，在超出混凝土極限作用力下，混凝土?xí)l(fā)生裂縫現(xiàn)象。而在凍住、融化這樣的反復(fù)循環(huán)中，也會(huì)導(dǎo)致裂縫問題發(fā)生。這兩種現(xiàn)象時(shí)凍融破壞情況發(fā)生的主因。

1.2 渠道內(nèi)水結(jié)冰破壞

寒冷地區(qū)冬季渠道多是在徑流式水電站引水中應(yīng)用，應(yīng)用方式為輸冰運(yùn)行。在冬季持續(xù)降溫的情況下，水中浮冰會(huì)在彎道處進(jìn)行堆積，一般是因?yàn)樗魉俳档桶l(fā)生的積累現(xiàn)象。自渠邊開始浮冰積累，之后則會(huì)不斷想渠道中心位置進(jìn)行發(fā)展。浮冰從上有不斷向著下游進(jìn)行運(yùn)送，彎道位置浮冰積累現(xiàn)象最為嚴(yán)重，會(huì)對(duì)渠道兩邊混凝土板造成壓力和推理，進(jìn)而使整體中的襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，最后出現(xiàn)位移、造成破壞。

1.3 渠基土凍融破壞

①混凝土板裂縫及鼓脹現(xiàn)象。在寒冷的冬季條件下，混凝土板與渠床基土?xí)趦鼋Y(jié)作用下成為整體，在此情況下則會(huì)受到較多作用力影響，比如混凝土的收縮作用、凍結(jié)作用、凍脹作用等，這些作用比混凝土板的低溫狀態(tài)可承受極限壓力更大的情況下，混凝土板容易發(fā)生裂縫及鼓脹情況，導(dǎo)致渠基土含水量有所增加，連年凍融效果下，裂縫問題會(huì)一年比一年更大，在寬度上增大的極為明顯；②架空隆起。在渠道中，地下水位比較高的渠段，會(huì)因?yàn)榈叵滤c基土的距離比較小，導(dǎo)致凍脹量更大。渠頂基土較之地下水位更遠(yuǎn)的情況下，發(fā)生的凍脹量相對(duì)更小，所以會(huì)導(dǎo)致混凝土襯砌板出現(xiàn)隆起和架空問題。通常情況下，坡腳及邊坡位置上方坡長(zhǎng)更容易發(fā)生，在渠底的中部也可能出現(xiàn)此類情況；③邊坡板發(fā)生滑塌。發(fā)生此類情況的主要原因有兩種原因，一種是混凝土板應(yīng)為凍脹效果出現(xiàn)架空和隆起的現(xiàn)象，所以使得坡腳支撐發(fā)生了損壞，平衡被打破的情況下，墊層基土出現(xiàn)了融化現(xiàn)象，混凝土板結(jié)構(gòu)中上部板塊發(fā)生的互相穿插及錯(cuò)位滑移等情況，導(dǎo)致了邊坡板發(fā)生了滑塌現(xiàn)象。另一種是渠道基土在融化時(shí)出現(xiàn)了大面積滑坡的現(xiàn)象，渠坡因此發(fā)生了滑塌，進(jìn)而使坡腳混凝土被推開，混凝土板結(jié)構(gòu)中的上部板塊因此發(fā)生了滑塌，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡板滑塌的問題出現(xiàn)；④抬高渠道結(jié)構(gòu)。在渠道的基土中，出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象是均勻一致的，在小型的渠道中，若是襯砌結(jié)構(gòu)完整，會(huì)因?yàn)楹浼竟?jié)的到來使得襯砌結(jié)構(gòu)被渠基土凍脹抬高。在基土發(fā)生融化的過程中雖然是一致的，但是因?yàn)榛镣馏w的差異，沉降的發(fā)生卻不是均勻的，進(jìn)而導(dǎo)致了襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫新鄉(xiāng)，若是渠道通水，裂縫中灌水還會(huì)造成渠基破壞，進(jìn)而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生了錯(cuò)位以及塌陷和變形等問題，最終導(dǎo)致了襯砌斷面凍融破壞情況的發(fā)生。

2.渠道混凝土凍脹破壞的處理工藝

2.1 回避凍脹處理法

在進(jìn)行渠線的選擇過程中，要盡量使淤泥沼澤、松軟土層、黏性土壤、地下水位高等位置避免，而要選擇地形高、地下水位埋藏深、透水性強(qiáng)的位置。如果必須選擇地下水位較高的位置，則要盡量選擇填方渠道的形式，以此渠道底部的凍結(jié)層，能夠位于地下毛管水補(bǔ)給高度層上方，同時(shí)也要積極應(yīng)用架空和管道等機(jī)構(gòu)，以此來避免與凍脹土發(fā)生直接接觸，進(jìn)而避免凍脹的影響。

2.2 適應(yīng)凍脹處理法

為了適應(yīng)凍脹導(dǎo)致的變形情況，對(duì)剛性襯砌斷面縱橫縫的伸縮縫、間距進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)縫間填充材料進(jìn)行調(diào)整，以此達(dá)成消減凍脹導(dǎo)致變形的情況?，F(xiàn)澆形式的混凝土板，在橫縫間距上通常設(shè)置為2至4m，縱縫間距則通常為1到3m，縫寬通常為2到3m，縫間填充常用材料，一般為焦油塑料膠泥、聚氨酯、瀝青砂漿等。

2.3 消減凍脹處理法

①置換消減。置換消減就是將渠基凍結(jié)中的凍脹土置換成非凍脹土，以此達(dá)成消減凍脹的目的。可以按照渠基土設(shè)計(jì)的襯砌厚度、置換比、凍深，對(duì)非凍脹土換填厚度進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)。一般選擇換填材料為風(fēng)積沙、中粗砂、砂卵礫石等，對(duì)于換填材料，粒徑在0.075mm成分不能占總體10%以上。粒徑更大的材料在透水性上更為良好，同時(shí)避免下層水向表層遷移，進(jìn)而發(fā)生表層凍結(jié)的情況，以此能夠使得凍脹情況減少，避免凍害問題發(fā)生。②隔熱保濕消減。該方法是在混凝土襯砌體的背后進(jìn)行隔熱保濕材料的布設(shè)，以此使得寒冷條件減輕，同時(shí)也能減小換填地層厚度，將下層土水分補(bǔ)給渠道進(jìn)行隔斷，最終來對(duì)渠床凍脹和凍深問題進(jìn)行消除。③壓實(shí)干密度消減。采用強(qiáng)夯方式，來使得土層粘土干密度得到提升，土體滲透性降低，避免水分發(fā)生聚焦、遷移的方式，最終達(dá)成凍脹消減甚至消除的效果。

3.渠道混凝土凍脹破壞防治處理要點(diǎn)

3.1 渠基上抬高度提升

渠基進(jìn)行開挖時(shí)，間隔50到100m 的情況進(jìn)行長(zhǎng)度為3m的滲水井開挖，且要通道砂礫石層，同時(shí)井內(nèi)進(jìn)行10cm卵石的鋪設(shè)，卵石上方需要進(jìn)行一層墊層的鋪設(shè)，使地下水經(jīng)過滲水井后再次的回到地下，以此能夠?qū)崿F(xiàn)凍脹防治的效果。此外，渠基土質(zhì)為黏土，同時(shí)在土層較薄的情況下，需要將渠斷面通至砂礫十層，渠底及邊坡位置需要進(jìn)行砂礫石墊的鋪設(shè)，保證渠基滲漏水流至砂礫石層，渠基土的含水量會(huì)因此降低，實(shí)現(xiàn)凍脹預(yù)防的效果。

3.2 渠堤密實(shí)度提升

首先在進(jìn)行建設(shè)施工的過程中，人員要按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與工程要求，進(jìn)行混凝土水灰比控制，適當(dāng)進(jìn)行混凝土抗?jié)B及強(qiáng)度調(diào)整，水泥水化反應(yīng)會(huì)消耗掉一定程度的水分，而消耗的水分多少對(duì)于混凝土和易性有著直接影響，水化熱反應(yīng)之后混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)孔，使混凝土滲透性加強(qiáng)?；炷翝{液的配置過程中，人員在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，盡量減小水化熱反應(yīng)程度，以此使水分蒸發(fā)量減小，進(jìn)而減小混凝土結(jié)構(gòu)孔隙率，渠堤密度由此提升，削減混凝土凍脹破壞程度。其次在施工工藝上，混凝土防滲渠道斷面設(shè)計(jì)與襯砌方式要達(dá)成抗凍張要求，重視渠道自身抗凍性。

3.3 渠道施工質(zhì)量強(qiáng)化

有關(guān)管理人員要加強(qiáng)渠道日常維護(hù)及管理工作，定期對(duì)混凝土渠道使用狀況進(jìn)行檢查，同時(shí)做好檢查記錄，若是發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)作用，對(duì)渠道凍脹破壞程度進(jìn)行有效控制，進(jìn)而使混凝土防滲渠道運(yùn)行狀況保持良好，有穩(wěn)定的使用性能。

4.結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)水利工程中應(yīng)用渠道這一水流通道形式較為多，不過渠道多為混凝土材料制作而成，在使用中容易受到環(huán)境影響，尤其是溫度過低的情況下發(fā)生的凍脹現(xiàn)象。本文對(duì)混凝土渠道凍脹問題的發(fā)生原因及處理措施進(jìn)行了分析，能夠?yàn)楹涞貐^(qū)、季節(jié)應(yīng)用混凝土渠道提供借鑒。