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        灌區(qū)渠道防凍技術(shù)改進(jìn)研究

        2016-08-01 09:11:18張子財(cái)綏中縣水土保持局遼寧綏中125200
        東北水利水電 2016年2期
        關(guān)鍵詞:技術(shù)改進(jìn)遼寧省

        張子財(cái)(綏中縣水土保持局,遼寧綏中125200)

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        灌區(qū)渠道防凍技術(shù)改進(jìn)研究

        張子財(cái)
        (綏中縣水土保持局,遼寧綏中125200)

        [摘 要]文中在分析渠道防凍措施現(xiàn)狀及基體凍脹原理的基礎(chǔ)上,提出了采用現(xiàn)澆混凝土邊坡與柔性渠底配合、膨潤(rùn)土防水毯與土料保護(hù)層配合、混凝土邊坡與適應(yīng)變形截面形式配合等三種渠道襯砌改進(jìn)措施,以期為解決遼寧省灌區(qū)渠道季節(jié)性凍脹問(wèn)題,提高渠系水利用系數(shù)及延長(zhǎng)渠道工程的使用壽命進(jìn)行有益的探索。

        [關(guān)鍵詞]遼寧?。磺纼雒?;技術(shù)改進(jìn)

        1 引言

        遼寧省是水資源嚴(yán)重緊缺的省份,人均水資源量?jī)H相當(dāng)于全國(guó)人均的1/3,世界人均的1/12,水資源已成為全省國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,遼寧省糧食作物播種面積約322.6萬(wàn)hm2,基本為季節(jié)性凍土。近5年來(lái),全省年均總用水量219.2億m3,其中農(nóng)業(yè)用水量為142.8億m3,占比高達(dá)65.1%。與發(fā)達(dá)國(guó)家與南方發(fā)達(dá)省份相比,遼寧省灌溉技術(shù)相對(duì)落后導(dǎo)致的灌溉效率低下、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題日益凸顯,特別是由凍脹導(dǎo)致的滲漏等問(wèn)題不僅直接影響渠道的正常使用,浪費(fèi)了水資源,而且增加了運(yùn)行管理難度和工程修復(fù)費(fèi)用,如何防治襯砌渠道的凍脹破壞,成為一個(gè)遼寧省水利工作中非常突出的工程問(wèn)題[2]。因此,深入研究渠系的凍脹問(wèn)題,提高遼寧省渠道抗凍脹能力與灌溉水利用效率具有重要的意義。

        目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)渠道凍脹問(wèn)題開(kāi)展了大量開(kāi)創(chuàng)性的研究,取得了一定有意義的研究成果,總起來(lái)說(shuō),解決凍脹問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面。第一,抗——使用鋼筋混凝土功能板代替砌塊砂漿組合的傳統(tǒng)工藝,增加渠道的整體性和抗壓強(qiáng)度;第二,隔——在渠道與基體之間增加苯板等保溫材料,減小溫度變化對(duì)渠道造成的破壞;第三,換——將與渠道接觸的一定范圍內(nèi)凍脹性土體用砂石換填,降低基體凍脹性。實(shí)際操作中,往往根據(jù)實(shí)際情況綜合運(yùn)用以上方法,可以取得較好的效果,但是,由于受資金等因素限制,使得渠道工程投入與收益之間存在較大矛盾,加之各地區(qū)環(huán)境差異大,施工水平參差不齊,很難保證達(dá)到預(yù)期效果和使用年限。針對(duì)以上因素,將在研究?jī)雒浽硪约斑|寧省渠道凍脹現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出運(yùn)用新型材料和截面形式等改進(jìn)措施,提高渠道的抗凍脹能力。

        2 基體凍脹原理與影響因素

        2.1基體凍脹原理

        基體凍脹本質(zhì)上是由土體中游離水在溫度降低到冰點(diǎn)以下時(shí)凝結(jié)為冰晶,導(dǎo)致體積增大并且不斷累積,最終導(dǎo)致襯砌破壞的過(guò)程。

        就遼寧省而言,自11月起開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)局部結(jié)冰,隨后降溫速度逐步加快,由表及里逐步結(jié)凍至極限影響深度。尤其是在灌區(qū)渠道附近,由于防滲措施不力,土壤中存在大量自由水,使得這一過(guò)程更加迅速,后果更加嚴(yán)重,如圖2所示。自20世紀(jì)70年代起,各國(guó)學(xué)者結(jié)合土力學(xué)和流體力學(xué)有關(guān)原理,在分析凍脹破壞效果領(lǐng)域逐漸形成了毛細(xì)理論、第二凍脹理論和吸附力理論,為實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用提供了理論保障[3]。近年來(lái),這些理論逐步趨于統(tǒng)一,得到廣大科研工作者的認(rèn)可。

        2.2渠道凍脹影響因素

        渠道凍脹過(guò)程較為復(fù)雜,涉及多方面的因素,經(jīng)過(guò)分析總結(jié),可以得到以下幾點(diǎn)影響凍脹效果的主要因素[4]:

        1)土體粒徑與級(jí)配:粒徑處于0.005~0.05 mm,級(jí)配較好的粉土土粒與水分子之間既存在較強(qiáng)的相互作用力,同時(shí)又具有良好的滲透性,便于水分遷移凝結(jié),容易造成較大的凍脹破壞,不同土類的凍脹量順序?yàn)椋悍圪|(zhì)粘土大于壤土大于砂壤土大于重粘土大于砂礫土。

        2)水分溫度。土質(zhì)與水分溫度是凍脹破壞的必要條件,較為豐富的孔隙水和反復(fù)凍融容易產(chǎn)生更大的結(jié)晶體。

        3)土體密度及附加荷載。二者本質(zhì)上原理相同,最終均反映在微觀土粒與水的相互作用上,對(duì)于不同土質(zhì)而言,土體密度對(duì)凍脹影響比較明顯。

        4)渠道走向。渠道走向直接影響不同部位受光照和風(fēng)吹的影響大小,導(dǎo)致凍脹范圍和深度不同,從而產(chǎn)生不均勻性。

        5)渠道襯砌形式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,不同截面形式的襯砌抵抗破壞的能力不同,相對(duì)而言,因?yàn)槔饨翘幦菀桩a(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,所以帶有曲線弧度的形式抵抗能力更強(qiáng)。

        3 渠道防凍技術(shù)改進(jìn)措施

        參考遼寧省灌區(qū)渠道以往凍害研究可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的單一解決方案通常難以取得良好效果,時(shí)常面臨“邊修邊壞,永無(wú)止境”的尷尬局面,每年需要大量資金投入到凍脹修繕工作中,造成極大浪費(fèi)。上述原理分析的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用幾種改進(jìn)方案,以期較為有效的解決遼寧省灌區(qū)渠道凍脹問(wèn)題。

        3.1現(xiàn)澆混凝土邊坡與柔性渠底配合

        相對(duì)于砌體而言,混凝土板具有整體性好、抵抗力強(qiáng)的特點(diǎn),尤其是級(jí)配良好、加入外加劑的防水混凝土,在減少滲漏流失的同時(shí),可以極大的減小凍脹損害。當(dāng)?shù)叵滤惠^高,超過(guò)渠底時(shí),采用如圖1所示組合結(jié)構(gòu),由于長(zhǎng)時(shí)間處于凍融交替環(huán)境中,保溫板容易遭到永久性破壞而喪失功能性,所以邊坡并不建議采用此方法。相較之下,運(yùn)用較厚且成本較低的換填料取代原有基體,可以有效降低凍融過(guò)程中體積變化,加之混凝土中配置適量鋼筋,使邊坡的抵抗能力更強(qiáng)。渠底雷諾護(hù)墊填充礫石的優(yōu)點(diǎn)是防沖刷、排水性能良好,變形適應(yīng)性強(qiáng),在大中型渠道中應(yīng)用可以取得較為理想的效果。當(dāng)?shù)叵滤惠^低,處于渠底以下時(shí),采用如圖2所示組合結(jié)構(gòu),預(yù)制混凝土板+膜料+保溫板配合使用可以在取得良好保溫防滲效果的同時(shí),減小土方施工量和混凝土澆筑所需的人、機(jī)、料成本,同時(shí)節(jié)約大量施工時(shí)間。渠底膜料上覆保護(hù)層在防滲和放凍脹方面同樣可以取得良好效果。

        圖1 現(xiàn)澆混凝土+換填料+透水材料

        圖2 現(xiàn)澆混凝土+膜料+保溫材料+土料保護(hù)

        3.2膨潤(rùn)土防水毯與土料保護(hù)層配合

        圖3所示結(jié)構(gòu)為膨潤(rùn)土防水毯上覆土料保護(hù)的結(jié)構(gòu),在渠道規(guī)模較大,且可能遭受不是非常嚴(yán)重凍脹災(zāi)害地區(qū),由于工序復(fù)雜程度較低,采用這種方法可以實(shí)現(xiàn)縮短工期,減少因施工水平限制而引起的工程缺陷等。另一方面,相比于現(xiàn)澆混凝土施工,這種方法可以在大幅度降低成本開(kāi)銷的同時(shí),取得較為理想的防凍脹效果。

        圖3 膨潤(rùn)土防水毯+土料保護(hù)層

        3.3混凝土邊坡與適應(yīng)變形截面形式配合

        從上文中分析可知,與梯形相比,弧形截面可以抵抗更大的凍脹應(yīng)力,不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成破壞,實(shí)際應(yīng)用中卻因?yàn)槟0濉y(cè)量精度等無(wú)法滿足要求而很少采用。但是,適當(dāng)?shù)膶⒍呓Y(jié)合起來(lái)運(yùn)用卻可以兼蓄各自的優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示的弧形坡腳梯形截面以及圖5所示的弧形底梯形截面,都能夠在做好防滲工作的基礎(chǔ)上,利用自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)獲得更大的整體穩(wěn)定性。另外,從截面積可以看出,前者適用于中大型渠道,而后者在小型渠道工程中應(yīng)用較多。

        圖5 弧形底梯形截面

        4 結(jié)語(yǔ)

        相比凍融破壞和冰凍破壞,遼寧省灌區(qū)渠道凍脹破壞的危害性更大、分布更廣,是遼寧省目前水利工作中較為棘手的問(wèn)題之一。在原有單一“抗、隔、換”防凍脹措施難以取得理想效果的背景下,從遼寧省灌區(qū)實(shí)際情況出發(fā),分析了渠道凍脹破壞原理與影響因素,在此基礎(chǔ)上提出了采用現(xiàn)澆混凝土邊坡與柔性渠底配合、膨潤(rùn)土防水毯與土料保護(hù)層配合、混凝土邊坡與適應(yīng)變形截面形式配合等三種渠道襯砌改進(jìn)措施,以期為解決遼寧省灌區(qū)渠道季節(jié)性凍脹破壞問(wèn)題進(jìn)行有益的探索。

        由于渠道凍脹破壞因素復(fù)雜,因此還需要從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理等多個(gè)方面入手,采用綜合防治措施,有效消除和回避渠道凍脹問(wèn)題,更好地發(fā)揮渠道工程效益。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]楊萬(wàn)志.遼寧省渠道防滲節(jié)水潛力及對(duì)策[J].防滲技術(shù),1994,1:2-5.

        [2]廖云,劉建軍,陳少峰.混凝土渠道凍脹破壞機(jī)制與抗凍技術(shù)研究進(jìn)展[J].巖土力學(xué),2008,29(11):211-214.

        [3]徐學(xué)祖,何平,張繼明.土體凍結(jié)與凍脹研究的新進(jìn)展[J].冰川凍土,1997,(3):280-283.

        [4]張茹,王正中.季節(jié)性凍土地區(qū)襯砌渠道凍脹防治技術(shù)研究進(jìn)展[J].2007,25(3):236-240.

        [中圖分類號(hào)]TV698.2+6

        [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

        [文章編號(hào)]1002-0624(2016)02-0048-02

        [收稿日期]#2015-10-02

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