鄭美玉,趙小宇,彭 博,孔凡丹,李 凱

(1.綏化學(xué)院 農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院,黑龍江 綏化 152061；2.綏化學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院,黑龍江 綏化 152061)

我國凍土分布面積極為廣闊,黑龍江地處我國最北端,是我國重要的糧食生產(chǎn)基地,該地區(qū)冬季氣溫長期處于零攝氏度以下,渠系建筑物極易受到凍害的影響而破壞。在凍土區(qū)渠系工程的安全穩(wěn)定地運作是滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水源灌溉的關(guān)鍵。然而從實際情況來看,由于存在溫度、土壤等多方面因素,部分渠道護坡襯砌體會因此而出現(xiàn)隆起或是脹裂這些情況,如果任之發(fā)展那么將會導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞,甚至是誘發(fā)渠系工程失效現(xiàn)象!由此可見,在冬季尤其是北方凍土區(qū)域渠道護坡凍脹損壞的情況不僅會對渠系安全運行構(gòu)成威脅,同時更會對該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不小影響。因此,研究季節(jié)性凍土地區(qū)渠道護坡工程破壞是十分必要的。

1 渠道凍害破壞類型

按照破壞類型的區(qū)別以及凍害破壞的形式能夠?qū)⑶酪r砌體凍害破壞分為兩種類型：由渠道內(nèi)水體結(jié)冰造成的冰凍破壞與由渠基土體凍融產(chǎn)生的破壞。

渠基土在地下水和其他來水補給的情況下含水量不斷升高,在冬季低氣溫作用下水凍結(jié)成冰。在水轉(zhuǎn)變?yōu)楸篌w積增大的基礎(chǔ)上,就會造成渠基及坡面土體膨脹,進而產(chǎn)生凍脹力。

冰凍破壞一般是由于渠道在冬季輸水或有未排出的存水,在冬季低溫環(huán)境下將發(fā)生凍結(jié)。凍結(jié)形成的冰將對渠道邊坡產(chǎn)生冰壓力作用,進而導(dǎo)致襯砌體的破壞。

2 凍害成因

季節(jié)凍土區(qū)渠系建筑物凍害的成因通常分成外部因素與內(nèi)部因素兩種類型。其中外部因素主要包括了管理力度不足、設(shè)計不科學(xué)、施工技術(shù)不到位等因素；內(nèi)部因素主要包括了長期凍融循環(huán)、地基冰凍、融沉與凍脹等方面。

2.1 凍害內(nèi)因

渠道的襯砌破壞主要與襯砌構(gòu)造、溫度、水份以及土質(zhì)具有一定關(guān)聯(lián)。第一,溫度條件。渠床頂部的凍結(jié)深度超過渠坡底部與渠底凍結(jié)深度,這往往是因為土體含水量和渠坡頂部為雙向凍結(jié)小過渠底與渠坡底部導(dǎo)致的。除此之外,渠道走向同樣會對凍脹產(chǎn)生影響,通常情況下渠道走向為東西時,陰坡深度往往比陽坡要大。第二,水分條件。水份條件在很大程度上決定了渠床各點凍脹的不均勻性、凍脹率沿深度的分布與渠床土凍脹性的大小等內(nèi)容,所以,渠道襯砌凍害破壞一個關(guān)鍵影響因素在于渠床的水分條件。根據(jù)水份條件可以將渠道襯砌的凍害破壞為兩種類型。其一為由地下水不急條件,導(dǎo)致渠床出現(xiàn)凍脹,導(dǎo)致襯砌受到破壞；其二為襯砌或地面滲水增加了渠床含水量,所以出現(xiàn)凍脹而導(dǎo)致襯砌破壞。第三,土質(zhì)條件。如若渠床土質(zhì)條件為粗粒土?xí)r,如礫石、粗砂,通常其凍脹量不會太大。如若渠床土質(zhì)條件是細(xì)粒土?xí)r,尤其是粉土?xí)r,當(dāng)渠床土質(zhì)含水量較多,同時具有地下水補給時,就會有較多凍脹量出現(xiàn)。如若將適應(yīng)變形能力小的剛性襯砌,如漿砌石或混凝土等運用到渠床上,就容易出現(xiàn)凍害破壞。

2.2 凍害外因

第一,在設(shè)計過程中具體設(shè)計與季節(jié)凍土區(qū)具體情況不相符,并未將凍脹力的作用綜合考慮在內(nèi),同時也并未采用凍脹破壞的的有效防治對策,所以,受到地基土影響下,容易導(dǎo)致整體建筑穩(wěn)定性下降而產(chǎn)生破壞。第二,不正確的施工技術(shù)造成建筑物凍脹破破壞如填土壓實度不夠、換填材料質(zhì)量不合格、排水設(shè)施失效、保溫材料鋪設(shè)不嚴(yán)密、膜料材料及鋪設(shè)不符合要求；混凝土參數(shù)不達標(biāo)及施工縫設(shè)計不合理等,導(dǎo)致工程受地基土凍脹作用而破壞。

3 防凍脹措施

防治建筑物凍害的方法有多種,可歸結(jié)為兩種基本方法：第一,結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)措施[1],也就是提高建筑物適應(yīng)與抵抗凍融變形能力的措施；第二,地基處理措施,即將凍因削減或消除的措施。

3.1 防治凍脹的工程措施

(1)換填法。換填法是指將天然地基的凍脹性土采取弱脹性材料,如礫石、粗砂等來替換,用來將地基土的凍脹減弱或消除。將非凍脹土局部或全部置換原有的脹土,實際需要根據(jù)地下水埋深與渠基土質(zhì)來確定實際置換比例。如若土質(zhì)主要是輕黏土、壤土、砂壤土,且地下水深度超過凍深加臨界深度時,則需要置換凍深的40%～70%；如若地下水深度比凍深加土壤臨界深度要小的情況下,則需要對50%-80%的凍深進行置換,或是全部置換。同時還需將一層防滲膜料鋪設(shè)在置換材料下方,且采用含水量較小的土壓實且進行包裹,有效隔離其和外部水份,防止下部水遷移至凍結(jié)封面,避免地基地凍脹的情況出現(xiàn)。

(2)隔水封閉法。

通常情況下,是因為土中水分和下部補給的遷移水分凍結(jié)后,其體積變大而導(dǎo)致土的凍脹情況出現(xiàn)。所以,如若可以對途中含水量進行控制,確保其少過起始凍脹含水量,同時還能避免外來或土在凍結(jié)過程中的遷移水分補給,便可以實現(xiàn)對地基土凍脹進行防治的效果。該種方法主要是通過夯實含水量低于塑限的土,隨后采取塑料薄膜進行包裹封閉,將外來水份的補給隔斷后,對已有地基土進行置換來達到對凍脹進行防治的目的。

(3)保溫法。采取具有較大熱阻的隔熱材料,來講負(fù)氣溫和地基土的熱交換狀態(tài)進行改變,達到降低土凍結(jié)的速度,提升土內(nèi)溫度,將土凍結(jié)深度降低,進而實現(xiàn)土體凍脹的防治。在基坑中覆蓋上麥草桔料、松散土等材料能夠起到保溫的作用,進而將凍結(jié)深度減小。此外可以運用水凍結(jié)成冰過程中有熱量發(fā)出的原來,可以將涵閘底板高程減小,造成冬季積水結(jié)冰的蓄水保溫法

(4)壓實土法。這種方法是將基坑內(nèi)的凍脹土挖出,經(jīng)風(fēng)干后再重新夯實回填土料以達到抗凍目的。要求夯實土料的密度大于1.6g/cm3,然后在壓實土層上修建工程的基礎(chǔ)。壓實土的回填范圍可參照換填土法確定。此項措施可用于涵閘工程地基防治凍脹及土壩不保溫越冬處理。

(5)排水法。這種方法是采用排出土中水分、降低地下水位,達到防治土體凍服目的。一般排水法是設(shè)置排水溝、盲溝、排水孔等。排水防治引水渠線應(yīng)選在高處并做成填方,盡可能將地下水位降至臨界凍深以下。若地下水位不能降至安全深度,可設(shè)置隔水層。渠堤頂面應(yīng)向外傾斜,以利排除雨雪水。

(6)物理化學(xué)方法。物理化學(xué)方法防治土體凍脹有多種方法,主要有人工鹽漬化法,用憎水物質(zhì)改良土法,土的電化學(xué)處理法。如用于涵閘的水保溫方法,用于樁柱的雙層油套管和基礎(chǔ)側(cè)壁加滑方法,用于擋土墻的柔性加筋墻等方法,還有水工中不常用的熱物理方法(如電針加熱)、化學(xué)方法(摻防凍劑)等防凍脹措施,關(guān)鍵問題是應(yīng)根據(jù)工程的具體條件,如能采用綜合性防凍措施收效會更為顯著[3]。

3.2 防治凍脹的結(jié)構(gòu)措施

防凍脹破壞設(shè)計設(shè)計之前,必須查明土質(zhì)和地下水情況,了解當(dāng)?shù)貧鉁?、凍脹、降雪、凍深等有關(guān)情況;確定合理的基礎(chǔ)埋置深度；盡量減小平面尺寸,力求結(jié)構(gòu)緊湊；選用剛度大、抵抗不均勻、抗凍脹能力強的結(jié)構(gòu)；除按一般方法設(shè)計,使其滿足建筑物強度、剛度、穩(wěn)定及防滲要求外,還需把各種凍脹力作為外荷載,進行強度、穩(wěn)定性、變形校核,若滿足不了上述要求,應(yīng)考慮綜合抗凍措施。

利用建筑物結(jié)構(gòu)的形狀、強度和整休剛度等防御凍脹力的破壞作用,從而保持其穩(wěn)定和正常運行,可分為對抗性結(jié)構(gòu)措施、適應(yīng)(凍脹變形)性結(jié)構(gòu)措施、減少與地基接觸性結(jié)構(gòu)措施等.在工程實踐中已有了廣泛應(yīng)用的擴大式樁、墩基礎(chǔ)(對抗)、枕梁平板橋(適應(yīng))、一字型閘(減少)等均為結(jié)構(gòu)措施的典型型式。

4 小結(jié)

季節(jié)凍土區(qū)水工建筑物凍脹破壞明顯,對工程影響較大,本文主要介紹了渠道的凍害破壞原因。根據(jù)凍害形式分析其凍害成因,分為內(nèi)因和外因兩方面,并根據(jù)具體結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的工程措施及結(jié)構(gòu)措施,從而降低凍脹破壞的危害。