昭苏县混凝土防渗渠道冻胀破坏成因分析及防冻胀措施

2015-08-15艾克拉木艾尔肯

陕西水利 2015年1期

艾克拉木·艾尔肯

（新疆伊犁州昭苏县水利局新疆昭苏 835600）

昭苏县位于新疆西北边陲，为中亚内陆腹地的一个高位山间盆地。截至到2013年，全县灌区有效灌溉面积为47.49万亩，其中高效节水面积为8.44万亩（其中喷灌2万亩，滴管6.44万亩），39.05万亩常规灌溉。已建干渠及总干渠24条，总长212.58km（其中浆砌石及混凝土防渗衬砌120.53km，干砌石 25.2km，土渠 95.33km）；支渠135条总长342.32km（其中衬砌154.71km，10%为干砌石和浆砌石，90%为混凝土防渗）；斗渠285条总长365.83km（其中混凝土防渗104.54km，土渠162.29km）。混凝土防渗渠道能够减小或防止渠道水的渗流损失和水土流失[1]，马越军[2]等针对麦盖提基地农场混凝土防渗干渠冻胀原因及防止措施进行了总结，吴英、佘光荣、郭允霞也对新疆其他地区在混凝土防渗渠道的冻胀破坏保护方面做出了一些探索[3-5]。昭苏县冬季温度低，最低气温在-32℃，冻胀对渠道混凝土防渗衬板破坏相对较为普遍,需要对其进行逐项分析。通过对防渗渠道的现场调查与取样发现，大部分渠槽的土体变形状态对衬砌板有较大影响，主要造成衬砌板裂缝、隆起、架空、滑坡等冻害现象。为防止衬砌体的冻融破坏，本文从渠道防渗的冻胀破坏成因、冻害机理、冻害的防治措施三方面总结经验。

1 冻胀破坏的形式及原因分析

1.1 混凝土板冻融破坏

混凝土防渗渠道由砂、石、水、水泥及增加抗冻、抗渗强度的外加剂等材料组成，这些材料具有一定的吸水性，灌溉季节通常在水中运行，在冬天的寒冷天气过程中，材料内部总是含有一定的水分，这些水分在冻融过程下，冻结成冰，体积会发生膨胀，当这种膨胀作用下引起的应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生裂缝并增加渗漏和吸水性。这种情况在冻土层厚度在1.27m、全年无霜期96天、全年平均最低温度-33.2℃的昭苏县是比较明显的，并且对于全疆来讲，昭苏县是混凝土防渗渠道冻胀破坏较严重地方。混凝土防渗渠道属于刚性材料，受抗压强度较高，但抗拉强度较低，适应拉伸变形或不均匀变形能力差。在冻胀力或热应力的作用下，容易产生破坏。混凝土防渗渠道在第二个温度变化负温周期使结冰膨胀的作用更加严重和强烈，经过多次冻胀后混凝土发生多次的应力变化，最终导致混凝土防渗渠道的冻融破坏。轻微破坏造成混凝土表面的砂浆层剥蚀，严重将会出现混凝土防渗渠道冻裂。

1.2 混凝土板裂缝与鼓胀

在寒冷季节，混凝土防渗渠板与渠床基土冻结成一个整体，往往季节性承受着冻结力、冻胀力以及混凝土本身收缩产生的拉应力等，当这些应力值大于混凝土板在低温下的极限应力时板体就发生破坏。现浇混凝土防渗渠道冻胀裂缝，多出现在尺寸较大的现浇混凝土板顺水方向和水位变化的地方，缝位一般在渠坡脚以上1/2～3/4坡长范围内和渠底中部，还有渠底两边边坡脚线连接处。两边边坡压顶连接处和渠道水位经常变化的地方现浇混凝土板施工时砂、水养护很重要，如养护不到位混凝土表面出现裂缝，影响混凝土的标号和强度。还有一些不均匀的横缝及渠底边坡连接处，渠底和边坡两块板设计的伸缩缝处及两边边坡和压顶连接处出现一边高一边低的不均匀沉降缝等，当冬季渠道积水时，一般出现在水面附近或正常水位变化的渠坡上。当现浇混凝土防渗渠板块尺寸较大不能适应温度收缩变形时，将由于温度应力造成纵向或横向裂缝。因为昭苏县冻土层较厚，所以这种情况比较严重。因此设计和施工时根据工程地质地形等设计情况现浇混凝土板防渗渠板块尺寸不要过大。当缝间止水材料不能适应低温变形时，在分缝处容易发生开裂。冻胀裂缝宽度与基土及戈壁垫层的厚度含土量是否达到设计要求及戈壁垫层，分层夯实、压实是否达到设计要求质量等情况，都直接影响冻胀性能及不均匀性能有关。基土戈壁垫层处理达到设计要求时冻胀性弱，裂缝小基土戈壁垫层处理达不到设计要求冻胀性强，将发展成其他形式严重的破坏。温度裂缝和拉裂缝一般较小，但是这些裂缝往往都与基土和戈壁垫层冻胀同时发生，因而缝宽亦随之扩大，特别是其中的纵向裂缝常常发展成冻胀缝。一旦裂缝出现就难以或不可能在基土或戈壁垫层融化时完全复原，甚至有裂缝块间相互挤顶而留下宽缝或局部挤碎。

1.3 混凝土边坡板滑塌

渠道裂缝会不断造成渠道渗漏水，由于泥沙通过裂缝被带入板下，污染垫层加剧土的冻胀或水流通过裂缝被带出板下戈壁垫层或土，板后戈壁垫层和土不断冲刷，减少板后加空最后引起混凝土板断裂或者滑塌，如一块板滑塌整个渠道影响很大，给渠道整体安全运行带来危害影响灌溉，所以要及时停水抢修不然后果严重。在多年冻融循环作用下，裂缝宽度和冻胀累积发展导致混凝土破坏愈来愈严重，并且混凝土板滑塌和渠道冲毁的现象逐年增多。

2 防止冻胀破坏的措施

2.1 选择合理的预制混凝土板尺寸

经过多年的安全运行经验证明，混凝土防渗渠道现浇板长宽尺寸或面积较小，抗冻胀效果较好，一般在昭苏县混凝土现浇板尺寸在2m×2m或2.5m×2m、1.5m×2m范围内比较合适。如有其他的情况,需根据渠道断面大小和工程设计地质、气候等实际情况来确定现浇或预制混凝土板尺寸。

2.2 渠基土的置换

混凝土防渗渠道冻胀土基的处理方法有换填法和保温层法，伊犁州和昭苏县常用换填法，戈壁料作为防冻胀换填材料，就地可以开采，抗冻胀效果好、施工简单、造价低等特点。若采用保温层法既加设苯板作为防冻胀材料具有抗冻胀效果好、自重轻、开挖土方少、强度高、吸水性低、隔热性能好、施工工期短等优点，缺点是材料运距远，施工进度要求高，地下老鼠啃坏比较严重，造价高等，伊犁州和昭苏县此方法使用较少。

2.3 根据实际情况进行合理的设计

结合昭苏县实际经过多年的安全运行经验来看混凝土防渗渠道设计流量、纵坡、沿渠床土壤渠道走向，渠道纵坡通过计算工程设计、土地等情况，综合考虑确定。戈壁垫层厚度根据以上情况并多年设计施工和安全运行经验来看分如下四种情况：

（1）设计流量在5m3/s～15m3/s是戈壁垫层厚度不小于0.5m～0.6m；

（2）设计流量在 5m3/s～1.5m3/s是戈壁垫层厚度在0.5m～0.35m；

（3）设计流量在1.5m3/s～0.8m3/s以下是戈壁垫层厚度0.35m～0.25m；

（4）设计流量在0.8m3/s以下是戈壁垫层厚度0.25m～0.2m。

2.4 加强质量管理

混凝土防渗渠道压顶设计施工时，必须严格按设计规范和施工规范要求进行施工。压顶后进行排水，排水处理不好对混凝土防渗渠道冻胀和渗漏破坏是比较严重的，不良的渠道安全运行养护，将会给当地带来很大的灌溉影响和经济损失，对灌溉和渠道的用水带来困难。

2.5 混凝土防渗渠道的维修养护

混凝土板防渗渠道发生裂缝后，混凝土表面大致平整无较大错位时，如缝宽小可用氯乙烯胶液涂料上加水泥或花样树脂和水泥一定的比例拌合到一起，然后扫除混凝土损坏处的杂物，分缝用水冲洗干净后刷到混凝土板裂缝处进行修补；如较大的裂缝，可用切割机切开裂缝处宽度一般在2cm以上,厚度必须达到混凝土板厚度。扫除混凝土损坏处的杂物缝用水冲洗干净后，可用细混凝土、砂浆或其他裂缝处理填赛材料进行填塞材料维修。