浅析混凝土衬砌渠道的冻胀破坏成因及对策

2013-11-07李丽萍王虹妮

河南科技 2013年18期

李丽萍王虹妮

（1.宝鸡市地下水管理监测处，陕西宝鸡 721001；2.宝鸡市石头河引水工程建设处，陕西宝鸡 721004）

宝鸡市位于陕西省关中西部，境内有宝鸡峡引渭灌区及冯家山水库、石头河水库灌区3 个大型灌区，共有设施面积14.062 万hm2，有效灌溉面积13.177hm2。同时冯家山水库、石头河水库兼有城市供水及工业供水的任务。

中央一号文件中，关于加强农田水利工程（渠道衬砌约占85%的投资）的建设，对宝鸡市灌区建设和粮食安全及经济发展具有重要的社会经济效益及现实意义。但在农田灌溉供水中，多数用明渠引水，为减少渠道的渗漏损失，增加过水能力，通常对渠道采用混凝土衬砌。宝鸡峡引渭灌区及冯家山水库、石头河水库灌区属于典型的北方旱寒灌区，自然条件恶劣，干旱缺水，季节性冻土分布广泛，灌排渠道冻胀破坏非常严重，影响了渠道的输水性能。探讨解决灌区内衬砌渠道冻胀破坏的问题，不仅对农业灌溉，农村用水等工农业生产及人民生活有着重大影响，而且可以最大限度减少水资源损失及浪费，提高工程效益及管理水平。

1 灌区混凝土衬砌渠道冻胀破坏的原因

造成混凝土衬砌渠道冻胀的主要因素是水在温度的变化的情况下对混凝土衬砌板本身及基土反复冻胀与融化而造成的。混凝土是由胶凝材料（水泥）、水、细骨料（砂）、粗骨料（石子）等材料按适当的比例经过拌制而成的拌合物。水在0℃以下结冰成固态，体积就会发生膨胀，温度越低，体积膨胀程度越大，经过冬季反复冻胀与融化，最终造成混凝土的冻胀破坏。产生混凝土衬砌渠道冻胀破坏的原因有以下几个方面：（1）土体的多孔松散性为土体内水分的存在创造了存在和迁移空间；（2）渠道输水渗漏增大土体中的水的含量，甚至使土体水分饱和，为结冰造成了条件；（3）冬季低温，使冻土层和未冻层(包括地下水)水分迁移，冰层形成与发育而引起土体发生冻胀现象。

2 渠道混凝土衬砌冻胀破坏的形式

当冻胀力超过一定的限度，达到了防护材料（混凝土衬砌板）的许用极限时，将会造成渠道防护层的发生鼓胀、裂缝（现浇混凝土板）、错位（预制安砌）、表面脱落等破坏现象。通过大量的调查和试验，渠道的破坏形式主要有以下几种情况。

2.1 表面脱落

混凝土内部孔隙（主要是混凝土振捣不密实，从而形成孔隙）内含有一定水分，在温度下降到0℃以下结下冻结成冰，体积增大，产生向外的作用力，当作用力大于混凝土强度时，就会在混凝土内部产生裂缝，从而增大混凝土孔隙吸水量，便会产生更大的作用力，经过多个冻融循环变化，混凝土内部的因冰水反复变化，其内部作用力也在反复变化，混凝土表面砂浆面层因作用力长时间的变化就会发生脱落。这种现象主要发生在振捣不密实的混凝土表面。

2.2 鼓胀及裂缝

混凝土衬砌板承受着水的重力、水流的冲刷力、温度变化所发生的温度应力、冻土的膨胀力、冻胀力以及混凝土板本身收缩产生的拉应力等多种内外力的作用，当这些应力值大于混凝土板自身强度的极限应力值时，就会发生破坏变形。这种变形主要表现为混凝土衬砌板的鼓胀与裂缝，发生部位多数在尺寸较大的混凝土板顺水流方向，渠道坡板坡脚以上1/4～2/3 范围内和底板中部。

2.3 鼓起、架空

对于地下水位埋藏较浅的渠道，由于渠底距地下水比较近，容易发生冻胀破坏，且冻胀量比渠顶冻胀量小，则容易造成混凝土衬砌大幅度鼓起、架空。这些现象一般发生在坡脚或水面以上坡面处和渠底中部等部位。

2.4 滑塌

渠道衬砌的冻融滑塌产生的原因主要有两点：一是由于渠道发生鼓起与架空形象，混凝土衬砌板支承结构发生变化，受到破坏，衬砌板失去稳定平衡，上部板块顺坡向下滑移、错位，互相穿插；二是渠道边坡土体在冻融变化期及暴雨发生是的产生大面积滑坡，渠堤滑塌，导致渠坡脚处混凝土板被推开，上部衬砌板塌落下滑。

2.5 整体上抬

对于渠深在1m 左右弱冻胀地区和衬砌整体性较好的渠道(如U 形渠道)，基土的冻胀不均匀性较小，在冻胀力的作用下，渠道可能发生整体上抬。

3 减轻或消除混凝土衬砌渠道冻胀破坏的措施

造成混凝土衬砌渠道冻胀的主要因素是水、温度和冻胀土。渠道是否产生冻胀破坏，其破坏程度如何，主要取决于渠床的土质条件、土体含水量、温度条件及工程结构型式等因素。自20 世纪70 年代以来，我国混凝土渠道工程抗冻胀技术的发展，始终与防渗技术紧密结合，“允许有一定冻胀位移量”的工程设计标准和“回避、适应、削减或消除冻胀”的设计原则，根据冻害成因分析并结合工程具体条件，可以从改善渠基土质、改善水分条件、改善温度条件等几个方面来减轻或消除混凝土衬砌渠道冻胀破坏。

3.1 改善土质条件

土的冻胀特性取决于土粒的分散性及组成成分等。土料颗粒粒径越小，其分散性就越大，冻胀性也随之增大。在自然条件下，土壤的冻胀量大小顺序如下：粉质粘土＞壤土＞砂壤土＞重粘土＞砂土＞砂砾。

3.1.1 基土置换法

基土置换法是指在冻土层范围内将冻胀性基土换成非冻胀性材料以降低渠道基土冻胀的措施。置换材料与原状土之间设置反滤层或用土工织物隔离，同时在置换层设置排水措施。置换深度可按如下公式计算得出：

式中：Hn为置换深度，cm；Zd为设计冻深，cm；δc为衬砌板厚，cm；ε 为置换比。

3.1.2 强夯增重法

强夯压实可以降低土体孔隙率，增大土体重量与干密度，减小基土的透水性，高密度的土体可以有效地阻碍水分移动与聚结。在施工时参照土坝碾压施工规范要求，进行分层夯打碾压，使干密度达到1650～1700kg/m3，将强变成弱冻胀土，冻胀土变为非冻胀土，从而减轻乃至消除基土土体冻胀。甘肃省曾在1985 年对靖远三场塬电灌干渠进行强夯压实，干密度在锤下2m 范围内达到1.6～1.8kg/m3，取得了较好的抗冻胀效果[1]。

3.1.3 土体加筋法

在基土回填施工过程中，往土体内布设加筋带、土工格栅等材料，从而改善土体的抗拉、抗剪强度，增加基土的整体稳定性。当基土发生冻胀时，加筋带及土工格栅灯材料将发生拉伸变形，从而减少了基土冻胀变形，抑制基土水分迁移。同时这些筋料材料可使冻胀土向非冻土区发展，而下减小基土冻胀量[2]。

3.2 改善温度条件

介质温度愈低，土中水分变成冰愈多，冻胀则愈强。长期的低温作用，使表层土体与深层土体冷暖面温差越来越大，冻结缘不断将未冻土层水分迁移到冻结区，使冻结层越来越厚，地下水位埋藏较浅的区域这种现象更为严重。在渠道施工时，预先在混凝土衬砌板下面铺设隔热保温材料，消除外界气温变化对土体温度的直接作用，以效减轻或消除温度对基土的影响，从而减轻或消除基土冻胀。

3.3 改善水分条件

3.3.1 排水措施

排水措施主要有渠底埋设排水暗管、渠坡砂砾石反滤层内埋设排水暗管、渠堤外侧埋设排水暗管等措施，以此来降低基土壤含水率。

3.3.2 隔水措施

采用塑料薄膜、彩条布、油毡、膨润土防水毯、复合土工膜等，设置隔水层，隔断渠道渗水、大气降水和地下水等对冻结层的补给，从而减轻或消除冻胀。

3.4 采用合理断面形式

将混凝土衬砌渠道断面设计成“U”型、弧形或弧底梯形，其的结构计算简图是一个两端弹性支座的无铰拱。当受到渠道基土冻胀力作用时，弧形段的刚性防渗层内部受的是压应力，不易开裂。 “U”型、弧形或弧底梯形渠道近年来发展很快，具有输水条件好，占地少，挟沙能力强等优点，而且在冻胀变形中变形均匀，产生裂缝较少，目前各灌区都在推广这几种断面形式。