永昌县金川灌区混凝土渠道冻胀原因浅析对策

2020-03-29白会玲

探索科学(学术版) 2020年12期

白会玲

甘肃省金昌市永昌县金川水利管理处甘肃金昌737202

考虑到出现冻胀破坏会对混凝土渠道带来极大的影响,使得混凝土的渠道使用寿命缩短,破坏对应的使用性能,会直接影响渠系水的利用率,影响工程投资效益,从而阻碍相应的发展。因此,基于这一情况来分析,做好本灌区混凝土渠道的冻胀破坏防治具有重要的现实意义。

一、渠道混凝土冻胀破坏原因分析

(一)冻融破坏。在永昌县地区,考虑到混凝土板本身属于薄板结构,厚度一般控制在6-15c m,主要包含了水泥、砂石、水、外加剂等共同的胶结结构。当混凝土出现水化反应,内部结构就会有细小缝隙的存在。同样,因为砂石等材料具有吸水能力,加上长时间的水环境使用,当遇到冬季气温在0度以下的时候,混凝土渠道板块内部空隙就会发生结冰的情况,水结冰之后体积会增大0.09倍,就会引发膨胀现象。当水变成冰出现体积膨胀时,受到超出混凝土极限作用力的影响,会导致混凝土出现裂缝。在冻结、融化过程的反复循环之中,混凝土就会有裂缝问题,而这就是造成混凝土渠道冻融破坏的主要因素[1]。

(二)渠基土冻融破坏。第一,混凝土板出现鼓胀、裂缝。渠道渗透水是西北地区发生冻胀的主要因素,渗水使土基增加实际含水量甚至达到饱和状态,在寒冷天气的冻结作用下,混凝土板同渠床基土就会冻结成为一个整体,这样会受到较多作用力,如冻结作用、收缩作用、冻胀作用等,使其变形受到约束引起的拉应力超过其抗拉强度,会导致混凝土板出现鼓胀、裂缝的现象,在连续冻融循环作用下裂缝也会逐渐增大。第二,边坡板滑塌。这一类问题的出现主要是因为:首先,混凝土板因为渗透水压力冻胀效果,导致隆起、架空等情况的发生,这样直接损坏坡脚的支撑,失去平衡,混凝土板结构的上部板块就会有错位滑移与相互穿插等问题,进而引发边坡板的滑塌。其次,当渠道基土在融化的时候体积会收缩下陷,渠坡失去基土支撑,最终推开与坡脚的混凝土拉应力,导致混凝土板结构上部板块发生滑塌的现象,进而造成边坡板整体向渠道底部中心滑塌。第三,架空隆起,在渠道输水过程中,由于渗透水作用,使渠道地基土被渗透水冲击挟带,造成渠基与边坡脚架空;或者在渠道纵坡较缓且渗流量较大,地渠段,由于地下积水和基土本身的距离相对较小,会出现大体积的冻胀量。就会引发混凝土衬砌底板架空与隆起的问题。一般来说,坡脚和边坡胶结面位置就容易发生这一问题,在渠道底部的中间也可能会出现这一系列的问题。渠顶基土相对于地下渗流积水间距较大的情况下,出现的冻胀量也会相应减小。

(三)渠道内水结冰破坏。对于金川灌区而言,渠道输水每年从4月份开始到11月底才能结束,11月份当地气温已经降到零度以下,冬季混凝土渠道一般输水流量较小且气温低的情况下,渠道运行基本是输冰状态,加之流量过小、流速降低水容易结冰,水中的浮冰就会在弯道或者纵坡较小地段处不断堆积,从渠道边缘开始累积浮冰,逐渐朝着中心位置扩展。浮冰从上游不断朝着下游运送,在弯道处或者纵坡较小软弱夹层土基地段就会出现严重的浮冰积累,这样就会出现渠道两边混凝土板的压力与推力,导致整体的衬砌结构出现断裂,最终破坏或者坍塌的现象。

二、混凝土渠道防冻胀的有效措施

基于上述对于西北地区混凝土渠道出现冻胀破坏基本原因的综合分析,提出下述防治措施,希望可以解决冻胀破坏问题。

(一)合理的衬砌结构。为了降低冻害带来的破坏,需要选择合理的渠道断面和对应的衬砌结构。目前,针对衬砌结构型式,主要包含了复合结构,由防渗膜料、混凝土护板、加设伸缩缝等组成。对本灌等寒冷区域需要设置保温层,一般会使用到复合土工膜、聚乙烯塑料薄膜等材料。针对混凝土衬砌结构和断面型式,要基于工程的实际规模,一般对于干渠和支渠可以考虑到梯形断面或者是梯形断面弧形渠底添加防渗薄膜的衬砌结构,弧形梯形断面结构形式具有防冻胀性能好的优点,解决渠道防冻胀问题具有明显优势。渠道边坡比例一般选择1:1.25较缓的坡面;其下铺设0.2 mm厚的塑料防渗膜,防渗膜上设2c m 厚的M10砂浆保护层;每3 m 设置一道伸缩缝,伸缩缝宽2c m,采用聚氯乙烯胶泥和水泥沥青砂浆填缝;针对断面相对较小的斗、农渠可以选择梯形断面弧形渠底或者U 型断面添加防渗薄膜衬砌的方式。

(二)基础换填处理。基础换填处理主要是基于砂砾石等非冻胀性的土来实现对于原本的壤土、粉质黏土等替换,帮助渠道基土体改善排水性,也可以实现水分场的有效改善。选择级配良好的砂石料通过换填处理,这样的渠道基土体的实际含水量就要比起始冻结含水量低。当遇到地下水位偏高的情况,与排水、截水措施相互结合可以将对应的冻害问题减少。针对渠基土体的冻深而言,随着换填厚度的不断增加也会对应增大,而冻胀量就会随之减小。针对南北走向的渠道,渠底换填背砂40c m,就能减少超过1/2的冻胀量,直接换填60c m 厚的保护层,减少3/4的冻胀量[3]。

(三)施工技术要求及防治。第一,土层置换碾压层厚度控制在30～50c m,土料含水率30%。第二,坡面土工模接缝处理是施工关键,在施工中要做好准备、铺设、拼接、检验、回填五道质量关,拼接时两幅膜边搭接大于10c m,且平整、无折皱,相邻两幅膜接头不应在一条水平线上,应相互错开1 m 以上,在浇筑混凝土时注意不被拌合物击穿。第三,伸缩缝施工中严格控制胶凝温度,厚度,沥青砂浆填充物的密实度,确保伸缩缝止水,伸缩。第四,混凝土浇筑过程中,严格按照配合比,拌和要均匀,且振捣密实,防止表面出现石子聚集,内部出现架空、气孔现象。在凝结硬化过程中应采取适当措施,使混凝土免受外界干扰,促进硬化防止开裂,提高其强度、整体性和抗渗性。