寒冷地區(qū)渠道混凝土凍脹破壞的原因及防治措施研究

沙吾列提汗·對(duì)山拜

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

大多數(shù)北方地區(qū)的凍結(jié)期較長，一般為十一月底開始，至四月結(jié)束，凍結(jié)期一般為3個(gè)月，部分地區(qū)可長達(dá)半年，在負(fù)溫條件下，土壤在表層開始凍結(jié)，并隨著寒冷的凍結(jié)期持續(xù)的向下發(fā)展，凍深可達(dá)100 ～150 cm，使各種建筑物都遭受嚴(yán)重的凍害，其中以輸引水渠道為代表的水工建筑物最為嚴(yán)重。

渠道凍脹的破壞表現(xiàn)為渠道架空、隆鼓、渠道坡板斷裂、渠道整體上抬變形等，引起渠道滲透破壞。近年來，在渠道設(shè)計(jì)中，采用鋪層土工膜進(jìn)行復(fù)合式渠道襯砌，使渠道具有較好的抗?jié)B、排水、抗拉性能，從而適應(yīng)了渠道凍脹的變形，具有較好的防滲防脹效果[1-2]。本論文以新疆某灌區(qū)渠道工程為例，分析了寒區(qū)混凝土渠道凍脹破壞的機(jī)理，對(duì)于干旱寒區(qū)廣大灌區(qū)就提高灌區(qū)輸水的有效利用率具有實(shí)際意義。

1 凍脹破壞的機(jī)理及相關(guān)因素

1.1 基土含水率對(duì)凍脹的影響

基土土體中的水分遷移及對(duì)土體的凍脹力大小，受渠道基土所在地區(qū)位置的溫度、環(huán)境等影響。通常情況下，如果基土中的初始含水量超過凍脹最低含水量時(shí)，渠道所受到的法向凍脹力會(huì)隨著基土中的初始含水量大小而變化，通過大量的研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在特定溫度下條件，當(dāng)基土中的初始含水量超過凍脹最低含水量時(shí)，基土即出現(xiàn)凍脹。根據(jù)灌區(qū)實(shí)測(cè)資料顯示[3]，當(dāng)渠道停止行水后，渠床底100 cm內(nèi)基土的含水率約為26.5%～29.8%，遠(yuǎn)超過凍脹最低含水率。

1.2 土質(zhì)類型對(duì)凍脹的影響

在特定的溫度和水分條件下，土質(zhì)的成分和組成會(huì)影響凍結(jié)過程中水分的補(bǔ)給和遷移，通常粒徑在2 mm以上的砂礫由于孔隙較大所以導(dǎo)水通暢，一般不存在毛細(xì)管作用，當(dāng)基土凍結(jié)時(shí)基本無法幫助水分進(jìn)行補(bǔ)給和遷移。但如果基土土質(zhì)為粒徑0.050～0.005 mm的粉質(zhì)黏土，由于其導(dǎo)水通暢，同時(shí)表面吸附能力強(qiáng)，并且有很好的保水性。所以其產(chǎn)生強(qiáng)烈的毛細(xì)管作用，粉礫黏土是凍脹最為敏感的土類之一[4]。通常情況下，對(duì)于凍脹越敏感的土質(zhì)，所產(chǎn)生的法向凍脹力也越強(qiáng)烈，在同一環(huán)境下，不同土質(zhì)所產(chǎn)生的凍脹力由大到小的順序依次為：粉質(zhì)土、亞砂土、亞黏土、黏土、細(xì)砂、粗砂。

1.3 地下水位對(duì)凍脹的影響

大量的試驗(yàn)表明，在特定的環(huán)境和土質(zhì)下，凍脹強(qiáng)度與地下水位呈雙曲線變化，目前我國西北部已建立了大量的凍脹試驗(yàn)廠，以便實(shí)地觀察地下水位對(duì)于凍脹率的影響。以下為張掖試驗(yàn)廠對(duì)于不同土質(zhì)和地下水位的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式(1)～(3)[5-6]。

土質(zhì)為細(xì)砂時(shí)：

(1)

土質(zhì)為砂壤土?xí)r：

(2)

土質(zhì)為壤土?xí)r：

η=60.5e-0.0146 hw， 系數(shù)r=0.883

(3)

式中：η為凍脹率，%；hw為地下水位，m。

綜上可知，地下水位的高度通過影響負(fù)溫環(huán)境下地下水份向凍結(jié)冰鋒遷移狀態(tài)，從而影響渠道基土的凍脹強(qiáng)度。通過試驗(yàn)研究和實(shí)踐證明，在同一渠道不同測(cè)點(diǎn)，地下水位越高的測(cè)點(diǎn)其凍脹變化越大；地下水位越低的測(cè)點(diǎn)，其凍脹變化越小。實(shí)際的觀察現(xiàn)象表現(xiàn)為，同一位置內(nèi)，渠坡測(cè)點(diǎn)相較于渠底測(cè)點(diǎn)的凍脹變化較小，并且從下至上變小。

2 以渠道為原型的有限元模型分析

2.1 渠道工程概況

新疆北疆某灌區(qū)屬大陸性氣候地區(qū)，地區(qū)氣候干燥、雨量稀少，冬季寒冷，年平均溫度為9.0～11.0 ℃，年最高溫度約為42.2 ℃，年最低溫度約為-28.9 ℃，每年12月底為凍結(jié)期，開春2月底為解凍期，年均0 ℃以下溫度期長達(dá)80 d。該灌區(qū)引水渠道長約1500 km，采用C15混凝土襯砌，厚度為80 mm，渠坡角為45°，取渠道基土為粉質(zhì)壤土，取土質(zhì)干密度為1.4 g/cm3，圖1 為該原型渠道的橫向截面圖及尺寸。

圖1 渠道截面示意圖(單位：m)

表1～表2為原型渠道的各測(cè)點(diǎn)溫度和凍結(jié)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.2 建立模型

根據(jù)表1～表2列出的測(cè)量數(shù)據(jù)，假定模板邊界溫度為各測(cè)點(diǎn)平均最低溫度，陰坡基土邊界為69 cm處，陽坡基土邊界為44 cm處，渠底由69 cm 處直線過渡到44 cm處，通過簡化，假設(shè)渠道襯砌板與基土為一個(gè)整體，并自由網(wǎng)格化建立有限元模型，得到圖2共1873個(gè)單元。

表1 渠道凍結(jié)統(tǒng)計(jì)

表2 渠道測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖2 渠道有限元網(wǎng)格圖

2.3 計(jì)算過程

(1)溫度計(jì)算。將表1中的各測(cè)點(diǎn)月最低溫度代入渠道表面及渠道地面為上邊界條件，將結(jié)冰溫度0 ℃代入凍深處為下邊界條件，轉(zhuǎn)換為熱分析單元進(jìn)行模擬求解，得到圖3的溫度場結(jié)果。

圖3 溫度場結(jié)果圖

(2)位移應(yīng)力計(jì)算。經(jīng)過上述溫度計(jì)算后，將模型單元類型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)靜力單元進(jìn)行模擬求解，將模型下邊界橫向設(shè)置Y軸約束，將模型下邊界縱向設(shè)置x軸約束，模型上邊界無約束力，代入上述溫度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模擬求解，得到圖4的位移和應(yīng)力圖5。

圖5 應(yīng)力場變化結(jié)果

2.4 分析結(jié)果

由于渠道受陽光日照的影響，渠坡形成了陰坡和陽坡，導(dǎo)致兩坡存在分布溫差，從圖4溫度場結(jié)果圖可知，兩坡的溫度分布規(guī)律基本一致，但陽坡的溫度梯度小于陰坡，所以導(dǎo)致陽坡凍結(jié)深度較小。

圖4 位移場和變形結(jié)果

從圖5可知，陰坡較陽坡的位移場偏大，而渠道底最小。在凍脹力的作用下，存在渠道整體上移且偏向陽坡的現(xiàn)象。主要原因是陰坡與陽坡存在溫差，導(dǎo)致陰坡的凍結(jié)深度大于陽坡，同時(shí)受到渠道襯砌和渠道底基土的約束，從而發(fā)生整體上抬且偏向陽坡的現(xiàn)象。

從圖6可知，兩坡與渠底連接處存在應(yīng)力集中的情況，同時(shí)渠道地面與兩坡的連接角也存在較大的應(yīng)力。兩坡底自下而上存在等效應(yīng)力集中，且陰坡較陽坡偏大，這是因?yàn)槭苋照辗较虻挠绊?，同時(shí)地下水位越高的位置其凍脹變化越大。而地下水位越低的位置，其凍脹變化越小，反應(yīng)至渠道原型則導(dǎo)致渠底和渠坡自下而上三分之一處容易發(fā)生凍脹破壞，其中渠坡與渠底連接處破壞最為嚴(yán)重，以上分析證實(shí)了渠道實(shí)際的測(cè)點(diǎn)情況，與實(shí)際情況相符。

3 針對(duì)性防治措施

因此，基于上述得出的渠道凍脹破壞的機(jī)理和影響因素，本文認(rèn)為可以從下列幾點(diǎn)措施進(jìn)行防治。

3.1 基土置換

前述已知，不同土質(zhì)對(duì)于凍脹敏感性不同，越敏感的土質(zhì)所產(chǎn)生的法向凍脹力越大，在同等環(huán)境條件下，越敏感的土質(zhì)越容易出現(xiàn)凍脹破壞，且破壞力越大。所以，對(duì)于基土凍脹敏感性高的渠道土體，可采用基土置換的方式來減少渠道所遭遇的凍脹破壞。基土置換法即通過置換回填的方法把渠道原凍脹敏感性土質(zhì)重新置換為凍脹敏感性低的土質(zhì)，常見的低敏感性土質(zhì)有砂卵石、風(fēng)積砂等，上述填料可以減少在負(fù)溫條件下地下水份向凍結(jié)冰鋒面遷移和補(bǔ)給，從而降低凍脹破壞。

3.2 阻斷法

阻斷法是指在渠道襯砌前為渠底鋪設(shè)防水隔熱材料，其原理是通過防水隔熱材料減輕和隔絕來自上方渠道面的受感負(fù)溫，同時(shí)隔絕地下水對(duì)土質(zhì)的水份補(bǔ)給和遷移，從而減輕渠道基土凍脹情況發(fā)生。從20世紀(jì)80年代開始，伴隨著我國的化工行業(yè)的飛速發(fā)展，由聚苯乙烯制成的泡沫材料由于重量輕，保溫隔熱性好，防水等特點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于建筑工業(yè)等領(lǐng)域，目前新疆地區(qū)的渠道建設(shè)中已大范圍使用。泡沫材料鋪設(shè)厚度應(yīng)根據(jù)熱工計(jì)算，通常取凍脹深度的10%為鋪設(shè)厚度。

4 結(jié) 論

文章以某新疆北疆某灌區(qū)渠道工程為研究對(duì)象，以渠道凍脹破壞的原因?yàn)檠芯繂栴}，通過渠道凍結(jié)數(shù)據(jù)為關(guān)鍵信息，基于有限元模型分析，結(jié)果表明:渠坡陰陽兩坡存在分布溫差，從溫度場分析圖得出兩坡的溫度分布規(guī)律基本一致，但陽坡的溫度梯度小于陰坡，所以導(dǎo)致陽坡凍結(jié)深度較小；陰坡較陽坡的位移場偏大，而渠道底最小，且在凍脹力的作用下，存在渠道整體上移且偏向陽坡的現(xiàn)象；兩坡與渠底連接處存在應(yīng)力集中的情況，同時(shí)渠道地面與兩坡的連接角存在較大的應(yīng)力；兩坡底自下而上存在等效應(yīng)力集中，且陰坡較陽坡偏大。反映至渠道原型則導(dǎo)致渠底和渠坡自下而上三分之一處容易發(fā)生凍脹破壞，其中渠坡與渠底連接處破壞最為嚴(yán)重，與實(shí)際情況相符。因此，在渠道設(shè)計(jì)階段，對(duì)易發(fā)生凍脹破壞部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可適當(dāng)加強(qiáng)。