白國庫

(新疆巴州水利水電勘測設(shè)計院，新疆庫爾勒 841000)

灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害原因分析及防護措施探討

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(新疆巴州水利水電勘測設(shè)計院，新疆庫爾勒 841000)

灌區(qū)混凝土防滲渠道建設(shè)對農(nóng)業(yè)灌溉意義重大，而混凝土防滲渠道凍害防護工作則是保障混凝土防滲渠道正常運行的基礎(chǔ)。本文針對花海灌區(qū)的混凝土防滲渠道凍害原因進行分析，同時提出了較為可行的防護措施。希望本文的研究，能夠為灌區(qū)混凝土防滲渠道防凍害工作提供依據(jù)。

花海灌區(qū);混凝土防滲渠道;凍害原因;防護措施

灌區(qū)配套設(shè)施及節(jié)水改造建設(shè)工程中一般采用混凝土預制塊或混凝土板進行襯砌，防滲效果較好，此外，由于混凝土本身屬于剛性材料，抗壓能力較強，因此灌區(qū)混凝土防滲渠道應用較為普遍。但混凝土板抗拉強度較差，抗凍害能力較差，易由于不規(guī)則變形或者拉伸而產(chǎn)生不同程度的凍融、凍脹等現(xiàn)象，導致防滲渠道表面發(fā)生剝落、斷裂、架空等情況，對防滲渠道的防滲效果造成較大影響［1］?，F(xiàn)對花海灌區(qū)的防滲渠道防凍害經(jīng)驗進行回顧性分析，希望能夠為灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害防護工作提供參考。

1 工程簡介

花海灌區(qū)是玉門市新市區(qū)東部花海盆地的一個大型灌區(qū)，面積超過3800km2，其北部與南部均為戈壁，東部為金塔縣，西部為昌馬灌區(qū)青山農(nóng)場?；ê９鄥^(qū)為典型大陸荒漠氣候，位于海拔1200～1320m之間，年降水量較少，年平均氣溫較低，無霜期僅有150天，氣候較為寒冷且持續(xù)時間較長，晝夜溫差較大，凍土層最深達到1.5m，屬于灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害嚴重區(qū)域［2］。花海灌區(qū)整體地勢為南高北低，坡勢較緩，土壤為灰質(zhì)灌漠土，表層有機物和腐植質(zhì)含量較高，土壤肥沃?；ê９鄥^(qū)混凝土防滲渠道95%以上均采用混凝土預制板襯砌，防滲、防沖效果良好，而且美觀、耐用。灌區(qū)總干渠共3條，襯砌總長為80.017km;支干渠共3條，襯砌總長為26.794km;支渠共13條，襯砌總長為52.84km;斗渠共83條，襯砌總長為152.03km;農(nóng)渠共953條，襯砌總長為85.72km。由于混凝土防滲渠道建設(shè)投資較大，對灌區(qū)防滲、節(jié)水工作和提高水資源利用率十分重要。因此，花海灌區(qū)對混凝土防滲渠道的防凍害工作十分重視，采取換填砂石、增加苯板保溫層等技術(shù)措施進行保溫，效果良好。

2 花海灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害情況分析

由于氣溫較低，花海灌區(qū)防滲渠道多出現(xiàn)表面剝蝕、鼓脹、裂縫、隆起、架空、滑塌以及整體上抬等凍害現(xiàn)象，情況不容樂觀。其中表面剝蝕多集中于防滲渠道底部、水位變化區(qū)及影響區(qū)，主要表現(xiàn)為混凝土板表面粗糙度增加、疏松以及凍酥;鼓脹和裂縫多集中于尺寸較大的現(xiàn)澆混凝土部位順水流方向，裂縫有的出現(xiàn)在渠道底部，有的出現(xiàn)在渠坡1/4～3/4處;隆起、架空多集中于渠道坡腳、水面上部0.5～1.5m以及渠道底部［3］。由于渠基土與渠道頂部凍脹量不一致，引發(fā)混凝土襯板被頂起或架空;坡腳混凝土板受到外力作用失去穩(wěn)定被推開，引發(fā)上部襯板失去依托而錯位或滑落。凍脹、架空以及渠坡基土融化期滑坡都是引發(fā)渠道襯板滑坡的主要原因;由于渠道基土凍脹不均勻性較小、而渠槽整體性良好，致使花海灌區(qū)U形渠槽整體上抬。

3 花海灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害原因分析

花海灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害現(xiàn)象總體來看主要包括凍融破壞和凍脹破壞。下面就這兩種凍害原因進行分析。

3.1 凍融破壞

凍融破壞是一種物理變化，簡單說就是周圍溫度反復變化，由0℃以上降至0℃以下;再由0℃以下升至0℃以上而導致混凝土產(chǎn)生反復凍結(jié)和融化的現(xiàn)象。這樣使得混凝土本身遭到破壞，尤其是表面破壞嚴重，如圖1所示。

圖1 凍融破壞結(jié)局

靜水壓的形成機理主要是混凝土毛細孔中的水分受冷環(huán)境影響而逐漸凝結(jié)成冰，體積發(fā)生膨脹而又受到毛細孔的限制，如果繼續(xù)降溫，一部分水凝結(jié)成冰，而另一部分成為過冷態(tài)與冰態(tài)水在毛細孔中共存。毛細孔中水分過冷就會產(chǎn)生較大的靜水壓力，隨著溫度的進一步降低，更多的水在混凝土內(nèi)部微區(qū)結(jié)冰，靜水壓作用于毛細孔四壁，使混凝土中的水泥石整體處于受拉狀態(tài)［4］。如此反復循環(huán)，水泥石因受到循環(huán)加荷產(chǎn)生疲勞或者超出極限抵抗力，使毛細孔結(jié)構(gòu)受損。常見工程中靜水壓強分布如圖2～圖3所示。

圖2 靜水壓強分布1

圖3 靜水壓強分布2

氣溫降低，混凝土內(nèi)部水凍結(jié)時由于混凝土材質(zhì)并不均勻，毛細孔加壓或傳熱也不均勻，部分區(qū)域的水結(jié)冰早，部分區(qū)域的水結(jié)冰晚，逐漸形成滲透壓，推動結(jié)冰的水向結(jié)冰處移動并在該區(qū)域凝結(jié)成冰。滲透壓的形成主要是由于冰水蒸汽壓的形成，產(chǎn)生滲透壓后毛細孔受到徑向擠壓，水泥石也處于受拉狀態(tài)，反復循環(huán)亦會產(chǎn)生較大損害［5］?；ê９鄥^(qū)防滲渠道混凝土襯板受到外界溫度交替變化的影響，內(nèi)部水泥石受到反復牽拉作用，不僅加速了混凝土的老化，而且當壓力超過混凝土的抗拉壓力時直接導致混凝土裂開。

3.2 凍脹破壞

凍脹破壞主要是防滲渠道基層土受凍后體積膨脹，對上層混凝土造成破壞，主要表現(xiàn)為鼓脹、裂縫、隆起、架空、滑塌及整體上抬。研究表明越靠近基土表層凍結(jié)點越高，一般0℃左右即可凍結(jié)，凍結(jié)后體積發(fā)生膨脹，由于建設(shè)時與混凝土襯板結(jié)合緊密，體積膨脹后直接頂起混凝土襯板，致使混凝土襯板表面產(chǎn)生鼓脹、隆起、架空等變形。凍脹破壞結(jié)局見圖4～圖6。

圖4 凍脹破壞結(jié)局1

圖5 凍脹破壞結(jié)局2

圖6 凍脹破壞結(jié)局3

4 花海灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害預防措施

根據(jù)花海灌區(qū)防滲渠道凍害分析結(jié)果，可針對凍融破壞和凍脹破壞分別采取措施進行防護。

4.1 規(guī)避凍脹環(huán)境

在設(shè)計灌區(qū)線路時，要盡量避免黏質(zhì)、松軟土質(zhì)，淤泥沼澤、地下水位高地段，盡量選擇土質(zhì)透水性較強、地下水位較低、地形較高地段。在遇到不可避免情況時，應針對性設(shè)置混凝土澆筑方法及建設(shè)引水排水設(shè)施。

4.2 嚴格建筑材料與加入化學配料

原材料的選擇首先要針對工程要求選用硅酸鹽水泥與普通酸鹽水泥這兩種水泥，水泥的強度必須在42.5以上，水泥用量必須保證在300kg/m3，水灰比例控制在0.5以內(nèi)。拌制混凝土所選用的集料必須進行篩選，不能將冰、凍塊及其他易凍物質(zhì)摻雜于其中;攪拌水來源不得含有影響水泥水化、凝固的水泥鋼筋、混凝土腐蝕離子。在保證原材料的基礎(chǔ)上必須注意水灰的配比，配比應不大于0.60。為了保證混凝土最終質(zhì)量能夠符合施工要求，水灰配比也應該保持不小于0.40。在混凝土早期攪拌過程中可以加入適量早強劑，但是早強劑劑量不能超過水泥總量的1%，避免過度化學藥劑對鋼筋造成腐蝕。還可以加入一定的引氣劑與抗凍劑，從而阻斷混凝土毛細孔。

4.3 渠道裂縫處理

對渠道已出現(xiàn)裂縫的情況一般采取開挖回填法與灌漿法兩種方法進行處理，下面進行詳盡闡述。

4.3.1 開挖回填法

開挖回填法主要針對裂縫不深或防滲部位裂縫，主要方法有以下兩種，如圖7(梯形楔入法)與8(梯形十字法)所示。

圖7 縱縫處理

圖8 橫縫處理

裂縫開挖工序：裂縫周圍開挖應超過裂縫兩端1m，開挖深度應超過裂縫深度0.3～0.5m，開挖槽底部寬度至少0.5m;應根據(jù)渠道土料及裂縫性質(zhì)針對性選用回填土料，坑槽周圍土體含水量過高時應先清除部分水分再回填，偏干則將表面潤濕再回填。

4.3.2 灌漿法

灌漿法主要針對裂縫較深、采用開挖回填法工程量較大的裂縫。常見灌漿方法為重力灌漿與壓力灌漿方法。重力灌漿方法是將配置好的漿液充分灌入裂縫;壓力灌漿法主要是在重力灌漿法后再加機械壓力，促使?jié){液在強壓下灌入裂縫。

5 結(jié) 語

通過采取針對性防護措施，花海灌區(qū)防滲渠道防凍害效果良好，防護經(jīng)驗可以廣泛應用，但仍舊需要進行相關(guān)深入研究，進一步控制施工成本和提高抗凍效果。

1 紀連成，尹天波，王澍．混凝土防滲渠道凍害破壞原因及防治措施［J］．黑龍江水利科技，2006(04)：208.

2 閆鈺，李丹穎．混凝土預制板防滲渠道凍害原因及防治措施［J］．內(nèi)蒙古水利，2012(04)：107－108.

3 張廣周．灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害成因及預防措施［J］．內(nèi)蒙古水利，2011(01)：145－146.

4 陳雯龍．新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施［J］．水利技術(shù)監(jiān)督，2011(03)：49－51，59.

5 宋廣強．淺談混凝土防滲渠道凍害破壞及防治措施［J］．內(nèi)蒙古水利，2011(02)：172－173.

6 陳獻偉．試論混凝土防滲渠道防凍脹的技術(shù)措施［J］．中國水運(下半月)，2013，13(03)：287－288.

Analysis of Concrete Anti-seepage Channel Freezing Cause in Irrigation Area and Discussion on Protective Measures

BAI Guo-ku
(Xinjiang Bazhou Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Korla841000，China)

Concrete anti-seepage channel construction in irrigation area has great significance to agricultural irrigation．Concrete anti-seepage channel frost protection work is the foundation to guarantee normal operation of concrete anti-seepage channel．In this paper，the frost cause of concrete anti-seepage channel in Huahai irrigation area is analyzed，meanwhile，more feasible precautions are proposed．It is expected that the study in the paper can provide basis for concrete anti-seepage channel frost prevention work in the irrigation area．

Huahai irrigation area;concrete anti-seepage irrigation channels;frost reason;protection measures

TV91

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1005-4774(2013)08-0066-03