白光劍

(新疆奇臺(tái)縣水管總站開墾河渠首管理站，新疆 奇臺(tái) 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(tái)縣水管總站開墾河渠首管理站，新疆 奇臺(tái) 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(shè)過程中，解決抗凍脹問題也是當(dāng)前急需解決的一大難題。重點(diǎn)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(gè)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(yán)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(fèi)水資源的情況，新疆地區(qū)要想實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)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?yàn)樾陆貐^(qū)非常寒冷，在每年的冬、春二個(gè)季節(jié)混凝土渠道會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(jī)理分析

1.1砼板凍融破壞機(jī)理分析

1.1.1砼板凍融破壞機(jī)理

機(jī)理主要指的是砼板在吸水飽和過程中發(fā)生凍融時(shí)，要面臨二個(gè)方面的破壞應(yīng)力：一砼中的毛細(xì)孔水在溫度達(dá)到0度以下時(shí)出現(xiàn)物態(tài)變化，水凝結(jié)成冰，從而體積會(huì)不斷增大，但毛細(xì)孔壁會(huì)制約其增大于是產(chǎn)生膨脹壓力，會(huì)于孔四周的微觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)拉應(yīng)力；二表面張力也會(huì)發(fā)生不同程度的作用，砼毛細(xì)孔隙中的水冰點(diǎn)會(huì)由于孔徑的縮小而不斷下降。所以冰和過冷水因?yàn)轱柡驼羝麎翰詈瓦^冷水間的鹽分濃度差導(dǎo)致水分流動(dòng)出現(xiàn)滲透壓。再有凝膠也會(huì)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(huì)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(fù)出現(xiàn)，導(dǎo)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(qiáng)度達(dá)不到原來的要求，有的還會(huì)完全喪失[1]。在實(shí)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(huì)出現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象，因此只有具備飽水狀態(tài)時(shí)，砼板才會(huì)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(fù)變化，導(dǎo)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(gè)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(shí)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(huì)造成砼的凍融現(xiàn)象。一建設(shè)砼板時(shí)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(huì)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(huì)嚴(yán)重影響到砼板的耐久性，再就是砼中的單位用水量也會(huì)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(yán)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(gè)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(yù)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(shí)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?yàn)榍佬藿ǖ穆吠据^長，會(huì)遇到各種各樣的地形，在一些填方渠道中，行水時(shí)因?yàn)闈裣?，?dǎo)致渠道會(huì)出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象，于是渠道產(chǎn)生滲漏，在不用水后會(huì)存在大量的積水，這時(shí)也會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象。由于產(chǎn)生沉陷所以砼襯砌面會(huì)產(chǎn)生裂縫，渠道會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(shí)。主要就是由于土體支撐砼板的力度減小，泥土?xí)晚虐逡黄鹆魅肭?，大量的泥土?xí)氯?，水流不能正常通過，水位越來越高，會(huì)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(yīng)該做好砼的強(qiáng)度工作，提高砼強(qiáng)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(shí)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(yīng)該先鋪設(shè)塑料薄膜，將3 cm厚的水泥砂漿鋪設(shè)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(yù)留一條伸縮縫，可以解決凍脹突起變形現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)砼板結(jié)構(gòu)時(shí)，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(yīng)對渠道凍脹變形。

2.2切斷凍土地基的水分補(bǔ)給

上面已經(jīng)分析了引起土體凍脹的三個(gè)因素，只有這三個(gè)條件同時(shí)存在時(shí)才會(huì)出現(xiàn)凍脹情況。只要限制其中的任何一個(gè)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(dá)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(fù)溫。在過去較長時(shí)期內(nèi)，大多利用切斷凍土地基在凍結(jié)前后的水分補(bǔ)給的手段來應(yīng)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(bǔ)給問題，一般都利用高填或排水的手段來切斷水分的進(jìn)入。但受土體顆粒與物理力學(xué)的影響，還會(huì)受到毛細(xì)水的作用。一般情況下，毛細(xì)水會(huì)達(dá)到地下水面2米以上，也會(huì)在渠道的凍脹破壞中發(fā)生較大作用。所以，如果應(yīng)用細(xì)顆粒土體，則一定會(huì)存在水分的補(bǔ)給現(xiàn)象，出現(xiàn)毛細(xì)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(xì)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?yàn)閺氐讚Q填了渠基，如果能夠保證施工質(zhì)量，那么渠道就會(huì)受到長久的保護(hù)。但也有下面這些缺點(diǎn)：一因?yàn)閾Q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(huì)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(shí)，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(huì)出現(xiàn)較大成本[4]。這種做法通常應(yīng)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(gè)較大困難。所以在實(shí)際操作時(shí)，常常會(huì)綜合應(yīng)用幾種工程措施。如在渠道二側(cè)設(shè)置排水溝減少水分補(bǔ)給時(shí)，同時(shí)換填一定深度的基土。應(yīng)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(yīng)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(fù)溫以上，這種保溫原理等同于砂或塑料的保溫原理。分析當(dāng)前關(guān)于苯板的抗凍試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，10 cm厚的苯板達(dá)到保溫效果相當(dāng)于100 cm的砂。比10 cm厚的砂加塑料的保溫效果要強(qiáng)很多[5]。它有著下面這些優(yōu)點(diǎn)：一可以有效抗凍，10 cm的苯板就能夠達(dá)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(dòng)基土，可以在基土上直接鋪設(shè)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(jī)械，只需少量勞動(dòng)力。利用苯板可以不置換基土，因此不使用大型土石方機(jī)械。遇到基土換填材料較遠(yuǎn)時(shí)，則可看到其具有更低的造價(jià)。但應(yīng)用苯板防凍脹材料的也存在一些缺點(diǎn)：如果條件不適宜，那么對比于換填手段則會(huì)出現(xiàn)較高的造價(jià)。如果基土換填材料較近那么應(yīng)用這種做法則會(huì)導(dǎo)致造價(jià)過高[6]。

3　新疆渠道抗凍脹模式運(yùn)用實(shí)例

渠西干渠設(shè)置為梯形斷面，渠的深度達(dá)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(yù)制砼板，砼板下部為60 mm 厚的苯板，采用粉細(xì)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(shí)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(shí)際情況，有的地段采取了鋪設(shè)10 cm厚苯板的做法，有的地段在邊坡上鋪設(shè)了苯板。在建設(shè)上段完成后，有的渠段出現(xiàn)了斷板和凍脹現(xiàn)象。對其進(jìn)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(shí)，施工單位沒有嚴(yán)格依據(jù)用料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工；出現(xiàn)凍脹的主要因素是換填基土級(jí)別較低，其中含有的細(xì)顆粒砂石較多。所以在解決渠道防凍脹過程中如果應(yīng)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(shí)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(dá)到這些目標(biāo)則存在較多困難。北岸干渠下段在解決防凍脹時(shí)主要應(yīng)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(shí)應(yīng)用了二種做法，一在砼板下鋪設(shè)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(yīng)用苯板做法投入資金2 611.67×104元，應(yīng)用換填基土做法投入資金3 110.41×104元?？梢钥吹綉?yīng)用第一種做法可以節(jié)約成本、易于施工，所以北干渠在解決防凍脹問題時(shí)全部采用鋪設(shè)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(xué)學(xué)報(bào).2014(06).

[2]蘆琴,王正中,劉計(jì)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(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(jī)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(shè)計(jì)及防凍害措施在西北凍土地區(qū)節(jié)水工程中的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì).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(jì).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